科技创新

科学家们用闪电快速开关来开发纳米线

科学家们开发了一种光源,它通过一个单分子将电压脉冲转换成光脉冲,可能作为将电转换为千兆赫频率的光信号的纳米元件的原型。 / em ;

信息通过越来越小的组件进行处理和传输,有时使用电子,有时使用光。斯图加特马克斯普朗克固态研究所的科学家们现在开发了一种光源,它通过一个分子将电压脉冲转换为光脉冲。在这里,分子起着晶体管控制的光开关的作用,甚至允许调节光的强度。由于分子开关允许光线非常快速地打开和关闭,因此光源可以作为纳米元件的原型,将电子转换为千兆赫频率的光信号。

今天,有机染料不仅为地毯,报纸或衣服提供颜色,当光线照射在它们身上时。现在,他们自己在电光源,有机发光二极管(OLED)中发光,如智能手机屏幕。然而,显示器仍然包含用于调节实际光源(像素)旁边的亮度的晶体管。来自马克斯普朗克固态研究所,马克斯普朗克EPFL中心和卡尔斯鲁厄理工学院的团队现在将这两种功能结合在一个分子中。

与位于斯图加特的马克斯普朗克研究所所长Klaus Kern合作的研究人员通过将一种染料分子置于球形碳分子的一层Buckminsterfullerenes上,构建了集成晶体管控制的纳米集成电路。碳球层涂覆金属载体,在这种情况下为金,用作电极。 “作为染料分子上方的第二个电极,我们使用扫描隧道显微镜的尖端,”Klaus Kuhnke说。 “但是第二层金属也是合适的。”然而,研究人员只能发现单个分子的惊人特性,因为他们使用可移动的尖端进行调查。他们实际上做的是用尖端扫描表面,同时测量发射的光线。 “在这个过程中,我们观察到光在染料分子上产生,”Kuhnke说。

电压首先产生捕获在金属表面上的光波

研究人员现在通过金载体和扫描隧道显微镜(STM)尖端之间的电压以及两个电触点之间的距离来调节分子上的电场。如果这超过了每纳米2.5伏,则灯被打开。然而,这种分子不会将光线打开和关闭。它实际上允许连续调节光强度,在几毫伏的极窄带上变得更亮更暗。因此它与发光晶体管类似地在此范围内起作用。

在切换过程中,电能不是直接转换成光能,而是通过“等离子体”间接转换成光能。这些可以想象为被困在金属表面上的光波,并且可能被诸如表面不规则之类的东西辐射。在他们的帮助下,更多的信息可以在光线较小的空间传输或处理,而不仅仅是光线:等离子体激元可以沿着窄于100纳米的金属轨道运行,例如,光纤必须至少为一半与它们传输的光的波长一样宽。

切换过程不到十亿分之一秒

有机分子在金属表面上捕获和辐射的光波的产生中起决定性作用:分子位置处电场的微小变化决定了光是否产生。这使得nanolamp对于数字信息与光的传输来说是有趣的,其中“light on”代表数据位中的一个,而零代表“关闭”。 “对分子电场的小调制产生了一个比特流,发射出的光线可以传递信息,”Klaus Kuhnke说。而且由于阈值以上的光源在电压微小变化的情况下开启,切换过程发生得非常快:它的时间不到十亿分之一秒,因此可能最终允许以千兆赫范围内的比特率进行数据传输。

单个分子对光的强度的控制对于光开关的速度是决定性的。机械照明开关通过杠杆操作,此杠杆越重,将开关从一个开关位置移动到另一个开关位置所需的时间越长。这些笨拙的手柄在电子学上与不可避免的电容相对应,这些电容吞噬了部分电流而没有产生任何光线。光开关元件越大,充电“寄生”电容器所需的时间和能量就越多。在这里,分子的微小尺寸有助于:几乎毫无成本的额外能量为毫伏级毫米的单个分子充电,几毫伏的微小电压 - 切换过程相应快速。 “这样的分子光源因此有望成为信息传输的新型高效组件 - 尤其是当产生的光线可能仍然很弱,但肉眼清晰可见时”,Klaus Kuhnke说。

出版物:ChristophGroße等人,“Dynamic Control of Plasmon Generation by a Individual Quantum System”,Nano Letters,2014,14(10),pp 5693-5697; DOI:10.1021 / nl502413k

来源:马克斯普朗克研究所

图像:固态研究的MPI

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