/Voorpagina /Mensen /Nieuws /Opinie /Cultuur /Studentenleven /Achtergrond /English page /Onderzoek /Reportage /Ruis /Harmpje /Colofon

/Vacatures /Mensa /Oude cursors /pdf formaat /Faculteits Berichten /Zoeken /TUE

jaargang 42, 13 april 2000 Onderzoek

Hoe een stage resulteerde in een wetenschappelijke publicatie Wetenschappelijke publicatie/Gerard Verhoogt Dat een student voor hij afstudeert een artikel in een wetenschappelijk tijdschrift publiceert, gebeurt vaker. Maar dat zoiets gebeurt na een stage, dat is zeldzaam. Het ‘overkwam’ Igor Aarts, vijfdejaars Technische Natuurkunde, die in Toronto stage liep bij prof. Edward Sargent. Nog frappanter is dat het artikel gaat over een voor hem relatief onbekend onderwerp: halfgeleiderlasers voor telecommunicatie. Dezea maand verschijnt het artikel van Aarts en Sargent in het Amerikaanse IEEE Journal of Quantum Electronics. Igor Aarts (1976) en medestudent Joost Snel (1976) wilden voor hun buitenlandse stage eerst naar Australië. Maar ze kregen het proefschrift van Sargent onder ogen, dat in Canada de prijs voor het beste proefschrift had gekregen. “Dat leek ons ook wel een leuke stage”, zegt Aarts een beetje laconiek. “Sargent, inmiddels hoogleraar aan de Toronto University, nodigde ons uit om naar de University of Toronto te komen. Daar had Sargent zelf gestudeerd. Onderdak bood het Massey College. Massey, waar tachtig studenten gehuisvest zijn, is een beetje een elitecollege. Meer een modern en luxe studentenhuis, met een bibliotheek en tv-kamer. En er werd voor de bewoners gekookt, zodat we ons ‘volledig aan de wetenschap’ konden wijden.” Aarts en Snel kregen een redelijk eenvoudige en praktische stageopdracht: maak in drieënhalve maand een opstelling op een optische tafel voor het doormeten van halfgeleiderlasers. Aarts: “Als je een stroom door de laser laat lopen kun je het geproduceerde licht meten. Door nu bijvoorbeeld de stroom of de temperatuur te variëren kan men specifieke processen in de laser bestuderen.” Lekgedrag Alles ging zo goed dat Snel zich de laatste maand kon toeleggen op de eerste meting, terwijl Aarts zich de theorie eigen maakte: “Hoewel we in de studie niet veel over dit onderwerp geleerd hebben, ben ik me gaan verdiepen in de theorie. Ik bestudeerde vooral processen waarbij elektronen verloren gaan en die niet bijdragen aan het maken van licht.” Eén van de vormen van dit ongewenste lekgedrag is de zogenoemde overbarrier leakage. Hierbij ontsnappen elektronen uit het actieve gebied, waarna ze verloren gaan. Terwijl elektronen juist moeten recombineren met een gat, wil er licht ontstaan. Elektronen moeten wel een bepaalde energie hebben willen ze de barrière kunnen passeren. Eenmaal over de barrière diffunderen de elektronen weg van het actieve gebied. De stroomsterkte die door het actieve gebied loopt bepaalt mede de hoogte van de barrière en dus ook of de elektronen sneller of trager kunnen ontsnappen. Aarts nam het model en de bijbehorende formules van Kazarinov en Pinto als uitgangspunt. Aarts: “Eén van onze doelstellingen was om die ingewikkelde formules, waar ook nog twee gekoppelde differentiaalvergelijkingen bij kwamen, te vereenvoudigen. Zo hoopten we meer duidelijkheid te krijgen over wat er nu werkelijk gebeurt. Want dat wil je als natuurkundige weten: wat gebeurt er fysisch gezien precies?” De vereenvoudiging leverde een lineaire (weerstandsachtig) en een logaritmische (diode-achtige) formule op. Die moesten weer gerelateerd worden aan de drift- en diffusieprocessen. Het resultaat was vier regimes, vier gedragsmogelijkheden van de laser: weerstandsgedrag in combinatie met diffusiegedrag; weerstandsgedrag met driftgedrag. Maar ook diode-achtig gedrag met diffusiegedrag en diode-achtig gedrag met driftgedrag. Voorspellende waarde Vervolgens formuleerde Aarts de wiskundige beschrijving van de vier regimes. Dat leverde weer vier eenvoudige formules op. Door de stroomsterkte in de beschrijving te betrekken kon Aarts uitspraken doen over de interne efficiëntie van een laser. En daarmee had Aarts een formule met voorspellende waarde in handen: bij stroomsterkte J hoort een bepaalde efficiëntie. Tot op heden werd aangenomen dat de overbarriere leakage bij telecommunicatie lasers niet belangrijk was. Aarts: “Maar bij een hoge stroomsterkte bleek er een grote daling van de efficiëntie door de overbarrier leakage op te treden. Het afnemen van de efficiëntie bleek ook op te treden bij hoge temperaturen. Sargent zei: ‘Nú wordt het interessant.’ De meeste telecommunicatie lasers worden namelijk behoorlijk heet en dus minder efficiënt.” Het model bleek ook erg geschikt te zijn om de invloed van doping te bestuderen. Halfgeleiders bestaan uit een combinatie van materialen, bijvoorbeeld gallium-arsenide. Doteert men dit materiaal met bijvoorbeeld aluminium dan zullen de eigenschappen van het materiaal drastisch veranderen. Aarts: “Door de concentratie van toegevoegde stoffen te variëren bij de barrière, kan men het weglekken van elektronen sterk beïnvloeden. Zo leiden een lage dotering en een hoge temperatuur tot een flinke daling van de efficiëntie.” Reviews Het model van Aarts en Sargent is een goed hulpmiddel bij het bouwen van lasers. Aarts: “Een bouwer van lasers kan zien: Als ik geen overbarrier leakage wil hebben, dan moet ik die en die stroomsterkte gebruiken en moet ik aan die en die materiaaleigenschappen voldoen. Er kan wel overbarrier leakage ontstaan, maar die kun je nu snel berekenen en met de bouw kun je rekening mee houden. Dat is onze claim na deze theorievorming. Je meet de stroomsterkte, je meet de temperatuur en vervolgens kun je uitrekenen of je last hebt van leakage.” Terwijl Snel de eerste halfgeleider lasers doormeette, begonnen Sargent en Aarts aan het schrijven van een artikel, waarbij Sargent de inleiding voor zijn rekening nam. Aarts: “Eerst wilden we gewoon een leuk artikel schrijven, maar gaandeweg werd het steeds serieuzer, omdat we iets substantieels over die overbarrier leakage konden zeggen. Toen ontstond ook het idee om het naar een wetenschappelijk tijdschrift te sturen. Het werd IEEE, Journal of Quantum Electronics, wat een behoorlijk goed blad is. Zolang het artikel bij IEEE in behandeling is, mag je het niet aan andere bladen aanbieden.” Dat duurde een tijd en intussen waren Aarts en Snel terug in Nederland. Toen de fax binnenkwam dacht ik eerst nog ‘Het zal mij toch niet overkomen’, maar jawel. Ze vonden het een leuk artikel en wilden het plaatsen, maar eerst moesten de opmerkingen van de reviewers meegenomen worden. Er zijn toen veel emails vanuit en naar Canada verstuurd om alle correcties aan te brengen. Nadat het artikel opnieuw ingestuurd was, werd het weer een hele tijd stil. Tot begin februari. IEEE had al in januari vergeefs geprobeerd Aarts te bereiken en wilde de laatste correcties binnen 48 uur hebben. Het is allemaal gelukt. Toen Aarts onlangs op de site van IEEE keek, stond het artikel aangekondigd voor het aprilnummer. Aarts: “Of ik nu ga promoveren? Sargent heeft me al uitgenodigd en biedt me een werkplek aan. Ik denk wel dat ik ga promoveren, want ik vind wetenschap prachtig. Alleen niet op de TUE, ik heb Eindhoven na zes jaar wel gezien. Verder zie ik wel.”/. Geïnteresseerden kunnen het artikel ‘Above-Treshold Leakage in Semiconductor Lasers: An Analytical Physical Model’ vinden op: www.ieee.org/organizations/pubs/pub_preview/qe_toc.html; onder het kopje ‘semiconductor lasers’.