Richtwirkung zur Verbesserung optischer Vorrichtungen

Ein Forscherteam des niederländischen Instituts AMOLF, der Western University (Kanada) und der University of Texas (Vereinigte Staaten von Amerika) hat kürzlich den Einsatz von Algorithmic Design bei der Entwicklung einer neuartigen nanophotonen Struktur gezeigt. Dies ist eine gute Nachricht für Forscher in der optischen Quanteninformatik und Photovoltaik, denn die Struktur verbessert die Richtwirkung von nanoskaligen Emittern (in Leuchtdioden oder einzelnen Photonenquellen) und Absorbern (in Solarzellen oder Photodetektoren) erheblich. Am 9. November 2018 veröffentlichten die Forscher ihre Ergebnisse in Nature Communications.

Die Direktivität beschreibt das Verhältnis der Lichtemission in eine bestimmte Richtung zur Summe über alle anderen Richtungen. Es ist oft nützlich für Emitter, eine hohe Richtwirkung zu haben, so dass alle von einer nanoskaligen Quelle erzeugten Photonen an anderer Stelle gesammelt werden können. Dies ist besonders wertvoll bei optischen Quanteninformationsanwendungen, bei denen sich die Erfassung von Einzelphotonenemittern als schwierig erweist.

Darüber hinaus ist die Verbesserung der Richtwirkung auch für nanoskalige Photovoltaikgeräte von Vorteil; die Kopplung des aktiven Absorbermaterials in Solarzellen ausschließlich mit der Sonne kann die Photospannung deutlich verbessern. Dies lässt sich durch eine Analogie verstehen – wenn man ein Material mit Sonnenlicht erwärmt, wird es wärmer, wenn es nur Energie mit der Sonne und nicht mit der relativ kalten Umgebung austauscht.

Direktivität im Nanobereich

Während die Richtwirkung eine sehr vorteilhafte Eigenschaft für Emitter und Absorber ist, kann die Erhöhung der Richtwirkung bei nanoskaligen Geräten eine Herausforderung darstellen. Bei so kleinen Längenskalen verhält sich das Licht sowohl als Partikel als auch als Welle und erschwert das Design von Strukturen mit Subwellenlängenmerkmalen so sehr, dass die Intuition der Leistung eines optischen Elements extrem eingeschränkt ist. Die Konstruktion von Strukturen mit Hilfe von Algorithmen trägt diesem Problem Rechnung und ermöglicht es, dass optische Vollwellen-Simulationen die Geometrie des nanophotonen Objekts vollständig bestimmen. Das Forschungsteam verwendete einen evolutionären Algorithmus, um mehrere Generationen von Strukturen mit steigender Leistung zu erzeugen. Dies führte dazu, dass die Richtwerte die der klassischen Strukturen wie z.B. sphärische Linsen um mehr als den Faktor drei übertrafen.

Um die Machbarkeit dieser Strukturen zu demonstrieren, wurde ein Proof-of-Concept-Gerät experimentell hergestellt. Bei dieser Vorrichtung wurde eine Nanolängsstruktur auf einen Galliumarsenid-Nanodraht mittels einer Femtosekunden-Puls-Lasertechnik gedruckt. Solche GaAs-Nanodrähte wurden wegen ihrer Relevanz in photovoltaischen Geräten verwendet und bieten aufgrund ihrer hohen Quanteneffizienz (Anzahl der Photonen pro Photon in) ein komfortables Testsystem.

Während die Nanolinsen die Richtwirkung der Nanodrahtemitter drastisch verbesserten, war die beobachtete Leistung noch geringer, als das rechnerische Design vorausgesagt hatte. Durch die Einbeziehung eines kleinen Versatzes zwischen dem Emissionszentrum und dem Zentrum der Linse konnten neue Simulationen jedoch das beobachtete Verhalten reproduzieren. Dieser Versatz trat wahrscheinlich in den experimentellen Proben auf, da die Nanodrähte primär aus einem kleinen Bereich in der Nähe eines ihrer Enden emittieren (entsprechend der Position der internen Diodenverbindung im Draht). Die Schwierigkeit, sich auf diesen emittierenden Ort auszurichten, erwies sich als die größte Einschränkung der beobachteten Leistung, gefolgt von der Tatsache, dass diese Emission immer noch aus einem endlichen Bereich kam (kein einziger Punkt, wie in den Designsimulationen angenommen). Dies deutet darauf hin, dass der Wechsel zu begrenzteren Emitter- oder Absorberstrukturen diese beiden Quellen der Leistungseinbußen leicht beheben und noch mehr richtungsweisendes Verhalten bieten könnte, ohne dass die Linse oder die Herstellungstechniken geändert werden müssen.

Mehr Informationen:
Eric Johlin, Sander A. Mann, Sachin Kasture, A. Femius Koenderink & Erik C. Garnett, Breitband hoch direktive 3D nanophotone Linsen, Nature Communications (2018) DOI: 10.1038/s41467-018-07104-1

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