Onderzoek

Kleine quantum dots bieden grote mogelijkheden

Opname van het preparaat gemaakt met Atomic Force Microscopy (AFM).

Quantum dots zijn heel kleine stukjes halfgeleidermateriaal. Zo klein dat de fysische verschijnselen die zich hierin afspelen onderhevig zijn aan de wetten van de kwantummechanica. Dr.ir. Frank de Groote heeft tijdens zijn promotie-onderzoek opgehelderd wat er precies gebeurt in deze quantum dots. Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Halfgeleiderfysica van de faculteit Technische Natuurkunde en werd gesubsidieerd door de NWO-stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie.

De Groote gebruikte voor zijn onderzoek een preparaat met zeer veel identieke quantum dots. Het preparaat is gemaakt met Molecular Beam Epitaxie (MBE), een techniek waarmee zeer nauwkeurig laagjes van enkele atomen dik kunnen worden gemaakt. Door een trucje ontstaan in één van deze dunne laagjes kleine verdikkingen: de quantum dots. Deze ‘doosjes’ zijn veertig nanometer in het vierkant en zes nanometer dik. Ter vergelijking: een menselijke haar is al gauw honderdduizend nanometer dik.
Met een laser voerde de onderzoeker energie toe aan de dunne laag halfgeleidermateriaal. De energie van het laserlicht maakt negatieve en positieve lading (respectievelijk elektronen en ‘gaten’) vrij in de halfgeleiderlaag. De ladingsdragers krijgen een bepaalde hoeveelheid energie mee van de laser, maar ze zoeken zo snel mogelijk de laagste energietoestand op. Die vinden ze in de quantum dots, een soort putjes met een iets lager energieniveau dan de rest van de halfgeleiderlaag. Na een fractie van een seconde smelten het elektron en het gat weer samen. De energie die daarbij vrijkomt, wordt uitgezonden als licht met een zeer specifieke golflengte. Deze golflengte zegt iets over opbouw van de quantum dots, maar ook over de invloed die de verschillende elektronen en gaten op elkaar uitoefenen. Een andere afmeting van de quantum dot leidt tot een andere golflengte, maar de golflengte verandert ook als het aantal elektronen en gaten in de quantum dot verandert.
Van dit type homogene quantum dots kunnen in de toekomst lasertjes worden gemaakt. Ze hebben een aantal voordelen ten opzichte van gewone halfgeleiderlasers zoals die bijvoorbeeld in de cd-speler zitten. Een homogene quantum dot laser is zeer efficiënt en energiezuinig, want alle quantum dots zenden licht uit bij dezelfde golflengte. Hij heeft bovendien een grote kleurstabiliteit, zodat variaties in de laserstroom die nodig zijn om de laser snel te moduleren (aan en uit te zetten) geen effect hebben op de kleur van het laserlicht (wat wel het geval is bij een gewone laser). En omdat ze veel efficiënter zijn, kun je ze natuurlijk heel erg klein maken, zodat je er veel op een chip kwijt kunt.
Quantum dot lasers zijn praktisch voor toepassingen bij telecommunicatie in glasvezelkabels. Er passen heel veel signalen tegelijk in een glasvezel, als voor elk signaal maar een aparte kleur wordt gebruikt. De bandbreedte van de dataverbinding wordt bepaald door de kleurnauwkeurigheid van de laser. Juist omdat elke quantum dot licht van een zeer specifieke golflengte uitstraalt, kunnen er veel meer signalen door een glasvezel. Onderzoeker De Groote verwacht dat op een termijn van vijf tot tien jaar de eerste lasertjes op basis van deze homogene quantum dots beschikbaar zullen komen./.

Schematische opbouw van een quantum dot, gemaakt met productietechnieken uit de chipindustrie.