Nature子刊: 科学家制造出具有非弹性电子隧道的银晶体纳米装置

近期，美国加州大学圣地亚哥分校的工程师们利用先进的制造技术，用银晶体制造了纳米级装置，其中，这种装置可以通过微小的屏障有效地“隧穿”电子来产生光。意义在于推动等离子体研究的发展，使其更接近于实现对于高速、光学数据处理和其他芯片应用的超紧光源。

左图为由两个边对边银单晶长方体形成的具有聚乙烯吡咯烷酮（PVP）绝缘屏障的隧道结的示意图。其中，顶部插图显示光子是通过非弹性电子隧道产生的。而且可以通过调整长方体的尺寸（a，b，c），间隙尺寸（d）和银长方体边缘的曲率来设计装置性能。右图为隧道结的TEM图，如图显示其间隙约为1.5 nm。图片来源：Haoliang Qian / 自然光子学

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程师利用先进的制造技术，用银晶体制造纳米级装置，这种装置可以通过微小的屏障有效地“隧穿”电子来产生光。而且这项工作使等离子体研究更接近于实现用于高速、光学数据处理以及其他芯片应用的超紧光源。

这项工作于7月23日在Nature Photonics上发表。

该装置为何会发光，主要是因为在这种装置上产生了一种非弹性电子隧穿的量子力学的现象。在这个过程中，电子穿过了原本无法穿越的坚固屏障。其中，电子在穿越时会失去一些能量，而损失掉的这部分能量就会以光子或声的形式释放出来。

等离子体研究人员一直在使用非弹性电子隧穿技术来制造具有大调制带宽的超小型光源。然而，因为只有很小一部分电子可以非弹性地隧穿，所以发光效率通常很低——最多只有百分之几。

加州大学圣地亚哥分校的工程师们发明了一种可以将效率提高到大约2%的装置。虽然这种装置还不足以应用于实际使用中，但它在一种新型光源的研究方面迈出了第一步，加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院(UC San Diego Jacobs School Of Engineering)电气和计算机工程教授Zhaowei Liu说道。

“我们正在探索一种新的发光方式，”Liu说。

Liu的团队使用计算方法和数值模拟设计了新的发光装置。加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院纳米工程教授Andrea Tao实验室的研究人员随后利用先进的溶液化学技术制造了这个装置。

该装置是一种微型蝴蝶结状等离子体纳米结构，即由两个单晶体银长方体连接在一个角上。其中，连接拐角处是由聚乙烯吡咯烷酮（PVP）制成1.5纳米宽的绝缘屏障。

这种微小的金属-绝缘体-金属(银-PVP-银)结合点就是发生作用的地方。连接到纳米晶体上的电极可以在器件上施加电压。电子从银纳米晶体的一角穿过微小的PVP屏障时，会将能量转移到表面发生等离子极化（电磁波沿着金属-绝缘体界面传播），然后把能量转换为光子。

但是，这种特殊的结合点在隧穿电子方面更有效的原因在于它的几何形状和非常小的尺寸。通过一个微小的绝缘体屏障将两个银单晶在其角落处连接在一起，而且，实际上研究人员还制造了一种高质量的光学天线，其具有高的局部光学状态密度，所以使得其更有效地将电子能量转换为光。

Liu解释说，金属-绝缘体-金属结合点在过去一直具有如此低的光发射效率，因为它们是沿着整个表面而不是一个角落连接金属晶体而形成的。他说，需要为电子提供一种高质量的光学天线，这种光学天线具有更小的隧道间隙，而且可以有效地发射光，但是这种结构很难用过去使用的纳米光刻法制作。

Tao表示：“利用化学，我们可以建立这些精确的纳米结合点，从而实现更高效的光发射，我们使用的制造技术为我们的材料提供了原子水平的控制——我们可以根据我们使用的试剂来决定溶液中晶体的大小和形状，我们还可以创造出具有原子平面和极端锋利角的结构。”

在之后的研究中，该团队旨在进一步提高效率，以期再提高一个数量级。而且他们正在探索不同的几何图形和材料，以供将来研究。

原文来自sciencedaily，原文题目：Nanocrystals emit light by efficiently 'tunneling' electrons，由材料科技在线团队翻译整理。