Nanophotonik : Kohlenstoffnanoröhren als Lichtquelle für Chips

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Nanophotonik: Kohlenstoffnanoröhren als Lichtquelle für Chips
Bild: KIT / WWU

Forscher des Karlsruher Institut für Technologie (KIT), der TU Darmstadt und der Universität Münster haben gezeigt, wie sich Kohlenstoffnanoröhren als Wandler für die optische Kommunikation in Computerchips nutzen lassen. Verglichen mit der elektrischen Datenübertragung winken eine höhere Geschwindigkeit und Energieeffizienz.

Die über nanostrukturierten Wellenleitern aus Siliziumnitrid auf zwei Elektroden aus einer Gold-Chrom-Legierung positionierten Kohlenstoffnanoröhren wandeln elektrische Signale in Licht um, wobei der gesamte Aufbau wie ein photonischer Kristall wirkt. Das durch elektrische Anregung der Elektronen in den Röhren entstehende Licht mit geringer Linienbreite ist laut der Forscher fast so stark gebündelt wie Laserlicht und erlaubt Modulationsraten im Gigahertz-Bereich.

Kohlenstoff-Nanoröhre über einem photonischen Kristall-Wellenleiter mit Elektroden. Die Struktur wandelt elektrische Signale in Licht.
Kohlenstoff-Nanoröhre über einem photonischen Kristall-Wellenleiter mit Elektroden. Die Struktur wandelt elektrische Signale in Licht. (Bild: KIT / WWU)

Optische Eigenschaften können maßgeschneidert werden

Die Eigenschaften des sehr schmalbandigen Lichts lassen sich dabei auf die jeweilige Anwendung maßschneidern. Welche Wellenlänge reflektiert, verstärkt und weitergeleitet wird, lässt sich durch die Gravur des nur einige Mikrometer langen Wellenleiters bestimmen. In diesen werden mittels Elektronenstrahllithografie Hohlräume von ein paar Nanometern Größe „gebrannt“. Ihre Position beeinflusst die optischen Eigenschaften des Wellenleiters und bestimmt so, welche Wellenlängen reflektiert werden.

Herstellungstechnik stammt aus der Biologie

Zur Herstellung des photonischen Kristalls werden die rund einen Mikrometer langen Röhren von einem Nanometer Durchmesser quer zum Wellenleiter gezielt auf den Metallelektroden positioniert. Dies geschieht durch Abscheidung aus einer Lösung mittels Dielektrophorese: Bei der aus der Biologie stammenden Technik wird ein inhomogenes elektrisches Feld aus Gleichstrom und Wechselstrom angelegt, das in den Röhren ein Dipolmoment induziert. Dieses wechselwirkt wiederum mit dem angelegten elektrischen Feld und erlaubt so die gezielte Bewegung der Röhren an den gewünschten Ort.

Als einen Vorteil der Wandler auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren führen die Forscher an, dass eine Linienverbreiterung des erzeugten Lichtes durch Temperatur, Oberflächenwechselwirkung und Hot-Carrier Injection wirksam verhindert wird, da die Linienbreite des Emitters nur von der Qualität des photonischen Kristalls abhängt.

Die detaillierten Ergebnisse ihrer Versuche haben die Forscher unter dem Titel „Cavity-enhanced light emission from electrically driven carbon nanotubes“ in Nature Photonics veröffentlicht.