LÁSERES DE NANOHÍLOS: ALIMENTACIÓN (I)
Sin duda una de las propiedades más interesantes que un nanohílo puede tener es la capacidad de producir luz láser. Cuando llevamos un fenómeno tan complejo y diverso como es la luz láser a escala nanométrica las aplicaciones son tan sorprendentes como interesantes. La luz láser es una transmisora de información y energía con la que sabemos construir circuitos ópto-electrónicos, herramientas de microscopía, dispositivos quirúrgicos, sistemas de medición y un largo (y estimulante) etcétera. La vuelta de tuerca que supondría extender estas aplicaciones, que ya se han miniaturizado en muchos casos, hasta el límite de lo nano nos permitiría contar con herramientas que, una vez más, pondrían a nuestro alcance un nuevo nivel de comprensión, caracterización y manipulación de nuestro entorno. No consiste sólo, por lo tanto, en hacer mejor lo que hacíamos antes: consiste también en empezar a hacer cosas que antes no podíamos.La obtención de luz láser puede comprenderse en dos etapas.
- La primera consiste en construir un medio capaz de albergar el fenómeno de auto-amplificación que es la emisión láser. Este medio tendrá no sólo que tener una morfología determinada (compatible con la existencia de modos de autoamplificación) sino además poseer unas propiedades ópticas concretas. En esta primera condición radica la primera oportunidad que este campo brinda: algunos materiales se convierten en emisores láseres muy eficientes cuando se encuentran en forma de nanohílos u otras estructuras de reducido tamaño y baja dimensionalidad.
- La segunda etapa consiste en obtener y mantener la inversión de población que alimenta el fenómeno láser. En este artículo comentaré ejemplos de las dos principales maneras de obtener esta inversión de población: la inyección eléctrica de portadores o el bombeo óptico.
Láser de nanohílos de CdS por inyección de portadores
Dentro del gran campo que es la experimentación con láseres de dimensiones ultra-reducidas destacan una serie de estudios que han concluido con la síntesis y caracterización de láseres activados eléctricamente. Estos dispositivos son más fáciles de manejar y construir que los operados por bombeo óptico, puesto que mientras que en los primeros sólo se precisa acceder a los bornes en los segundos es necesario que una fuente de luz (a menudo una fuente láser externa) incida en el material.
Los láseres de semiconductores alimentados eléctricamente se emplean en aplicaciones como las telecomunicaciones o el almacenamiento de información de manera cotidiana. Parte del éxito de estos dispositivos se debe al buen conocimiento sobre el mecanismo de crecimiento y procesado de películas de semiconductores, lo cual permite la fabricación de dispositivos optoelectrónicos integrados. Sin embargo estos procesos son normalmente difíciles y caros de integrar con otras tecnologías muy extendidas, como la microelectrónica del silicio. En contraposición a los semiconductores, otros materiales como algunos polímeros, no presentan conflictos de integración con el silicio, pero normalmente sólo son capaces de producir emisión láser si son foto-bombeados.
Un ejemplo de producción de luz láser mediante alimentación eléctrica son los nanohílos de CdS. La microestructura y morfología externa de estos nanohílos les permiten funcionar como cavidades ópticas de Fabry-Perot por lo que pueden alojar autoamplificación láser. Los nanohílos, que pueden ser integrados en matrices capaces de emitir luz láser en un amplio rango de frecuencias, podrían mejorar aplicaciones actuales y propiciar otras futuras.
Se pueden sintetizar nanohílos sueltos de CdS con diámetro controlado por crecimiento catalítico a partir de agregados metálicos. Su importancia reside en su mezcla de buenas propiedades eléctricas (porque su estructura libre de defectos presenta altas movilidades de portadores n y p) y óptimas propiedades ópticas (un sólo nanohílo es a la vez medio activo y cavidad resonante). La relación entre longitud, diámetro y modos capaces de propagarse por el nanohílo fue verificada experimentalmente (Figura 1a). Se realizaron microscopías electrónicas de barrido y transmisión y resultó que un 50% de los nanohílos presentó los extremos cortados limpiamente en un plano perpendicular al eje de crecimiento [001], lo cual los convierte en los extremos reflectantes que una cavidad láser necesita (Figura 1b).
También se realizaron imágenes de fotoluminiscencia a temperatura ambiente irradiando los nanohílos con luz láser. Como se puede comprobar en la figura 1c el nanohílo que es activado por un extremo (inferior izquierda) conduce la luz hasta el otro sin dejar que la intensidad escape en el trayecto, por lo que actúa como una guía de onda. Para completar el estudio de las propiedades ópticas se obtuvo el espectro de fotoluminiscencia. Irradiados a baja intensidad los nanohílos presentan un pico suave a 512 nm y una anchura espectral (a media altura) de 24 nm si medimos el espectro del cuerpo, a medio camino entre el extremo bombeado y el extremo emisor. Sin embargo en el emisor la luz está desplazada hacia el rojo unos 30 nm. Este efecto es consistente con un fenómeno de reabsorción y reemisión en el interior del nanohílo. Cuando la intensidad de bombeo aumenta el espectro vuelve a desplazarse hacia el azul al saturarse la reabsorción interna. La emisión en los extremos aumenta mucha más que en el cuerpo. Pasado cierto umbral comienzan a aparecer picos equiespaciados asociados a los modos de Fabry-Perot de la cavidad. Un análisis del espaciado de modos confirmó su relación con las dimensiones de distintos nanohílos (figura 1f y de nuevo figura 1a). Si la intensidad de bombeo aumenta todavía más, la emisión se concentra en un pico muy monocromático que crece supralinealmente con el bombeo, lo cual indica que el material está actuando como medio activo láser.
Tras estas mediciones, que demostraron la capacidad de los nanohílos de CdS para actuar como cavidades de Fabry-Perot y para mantener una emisión láser continua, se procedió a la construcción en un circuito que permitiera la activación eléctrica. En general este tipo de laseo requiere una inyección eficiente de portadores tipo n y p dentro del medio activo. En el caso del CdS el mayor problema suele radicar en sintetizar un p-CdS con alta movilidad para los huecos o en combinar n-CdS con un material tipo p. Sin embargo la morfología y pureza cristalina del nanohílo permiten sortear con facilidad estos problemas tan difíciles de solventar en láminas de CdS o en el sólido macroscópico. La inyección de huecos se hace por la pared del nanohílo para que éstos no tengan que difundir más que unas decenas de nanómetros antes de poder aniquilarse con un electrón.
Figura a: esquema del láser de nanohílo por inyección de portadores. Los electrones entran por la capa metálica superior y los huecos proceden de un sustrato de Si tipo p altamente dopado. La fabricación del dispositivo se acomete ensamblando nanohílos de CdS sobre el sustrato de Si crecido sobre un aislante. Los contactos se hacen mediante litrografía por haz de electrones y evaporación (asistida también por haz electrónico) de entre 60 y 80 nm de alúmina, 40 nm de Ti y 200 nm de Au (como se explica en el siguiente link). Un extremo del nanohílo ha de quedar descubierto para que pueda emitir, como se puede ver en la mitad superior de la figura b, en la que la barra de escala mide 5 μm. La imagen inferior fue obtenida por electroluminiscencia a temperatura ambiente con una corriente de inyección de 80 mA. En la figura c se representa la emisión en función de la corriente de inyección. Por encima de los 200 mA comienza el laseado y la intensidad aumenta supralinealmente con la corriente. La figura d recoge el espectro de fotoluminiscencia a temperatura ambiente del extremo del nanohílo con corrientes de inyección de 120 mA (rojo) y 210 mA (verde, elevado en 0.15 unidades arbitrarias de intensidad para una mayor claridad). Las flechas señalan los modos altamente monocromáticos de Frabry-Perot. La última imagen, e, es el espectro de emisión del dispositivo con corrientes de inyección de 200 mA (rojo) y 280 mA (verde, elevado 0.10 u.a.), esta vez a 8 K. El pico que destaca claramente tiene un ancho espectral comparable con la resolución del espectrógrafo empleado por lo que el dato debe entenderse como aproximado.
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