NANOKRISTALLEN VAN SILICIUM ZENDEN LICHT UIT IN ALLE KLEUREN

Ze zijn nog toekomstmuziek, chips waarin geschakeld wordt met licht, maar wereldwijd werken onderzoekers aan de realisering van dit idee. Eén weg is om het silicium, waaruit chips bestaan, zelf licht te laten produceren. Dat gaat alleen goed met heel kleine siliciumkristallen. De grootte van zo'n kristal bepaalt de kleur van het licht dat wordt opgewekt. Mark Brongersma, verbonden aan het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam, heeft een methode ontwikkeld om dergelijke kristallen in gewenste afmetingen te maken. Dat is een volgend stapje op weg naar de lichtchip. Afgelopen maandag promoveerde Brongersma op dit onderzoek.

Door de stormachtige ontwikkelingen in de communicatietechnologie ontstaat een groeiende behoefte aan opto-elektronische apparatuur die lichtsignalen kan opwekken, geleiden en verwerken. Het mooist zou het zijn om lichtbronnen op basis van silicium te maken, omdat die betrekkelijk eenvoudig in de ver ontwikkelde siliciumtechnologie zouden kunnen worden opgenomen. Jammer genoeg zendt silicium weinig efficiënt licht uit.

Enkele jaren geleden ontdekte een groep Britse onderzoekers dat het oppervlak van een plak silicum waaruit chips gesneden worden, poreus wordt bij elektrochemisch etsen. De allerbuitenste laag komt vol met holten en grillig gevormde kolommetjes te zitten, zodat een sponsachtige structuur ontstaat. Als ze die laag met een laser bestraalden, bleek het oppervlak licht uit te zenden. 'Eilandjes' van silicium in die kolommen bleken daarvoor verantwoordelijk te zijn. Kennelijk zendt silicium wel efficiënt licht uit als het uit heel kleine kristallen bestaat. Omdat ook moleculen die zijn gevormd tijdens de etsbehandeling of fouten in de kristalstructuur licht uitzenden, zodat de vraag rees welk effect precies verantwoordelijk is voor de lichtemissie.

In zijn aanpak van dit probleem nam Brongersma een plakje silicium en liet de buitenkant oxideren. Er ontstaat dan een laagje siliciumdioxide (glas) op de siliciumplak. Vervolgens schoot hij met een ionenversnellers siliciumionen in dat glaslaagje (implantatie), en wel zoveel dat er oververzadiging ontstond. Daarna verhitte hij het geheel 40 minuten bij een temperatuur van 1000 graden. Bij deze temperatuur kan het silicium door het glas gaan bewegen en klontert het samen tot kleine min of meer bolvormige kristallen. Deze kristallen hebben afmetingen van nanometers (enkele miljardsten van een meter). Wanneer ze met laserlicht worden bestraald, zenden ze ook heel efficiënt weer licht uit.

Uit eerder onderzoek was al gebleken dat er een verband bestaat tussen de afmeting van het kristal en de kleur van het uitgezonden licht. Kleine kristallen, met een afmeting van net iets meer dan één nanometer (opgebouwd uit ongeveer 25 atomen) produceren blauw licht. Naarmate de afmeting toeneemt, verschuift de golflengte van het uitgezonden licht naar langere golflengten, tot infrarood toe. In dat laatste geval meet het kristal zo'n tien nanometer en telt het 26.000 atomen. Als de kristallen nog groter worden, verliezen ze hun vermogen om efficiënt licht uit te zenden.

Brongersma ontdekte vervolgens dat je de afmetingen van de nanokristallen kunt regelen - en dus de kleur licht die ze uitzenden. De nanokristallen bestaan uit zuiver silicium, omgeven door siliciumdioxide. De kristallen zijn groter naarmate je in het begin van het proces het glaslaagje dat met siliciumionen is oververzadigd, langer en sterker verhit. Wanneer je nu na afkoeling het laagje met de nanokristallen erin bij 1000 graden Celcius verwarmt in een omgeving met zuurstof, dan dring het zuurstof het glaslaagje in en reageert met de nanokristallen. Waar dat gebeurt ontstaat siliciumdioxide, net als in de omgeving. Met andere woorden: door de oxidatie wordt het nanokristal kleiner.

Door het glaslaagje na de bewerking waarbij de nanokristallen ontstonden te beschieten met waterstofatomen, bereikte Brongersma dat de fouten in het kristalrooster ongedaan werden gemaakt. Die waterstofatomen vullen lege plaatsen in het kristalrooster op (passiveren), zodat alleen licht overbleef dat door de nanokristallen werd uitgezonden. Het is voor het eerst dat deze fouten efficiënt zijn uitgeschakeld.