Ingenieure ebnen den Weg für das Nächste

Der Doktorand Len van Deurzen arbeitet mit einem Laboraufbau, der zum Betrieb eines Geräts dient, das Laser im tiefen Ultraviolett emittiert.

Cornell-Ingenieure haben einen Tief-Ultraviolett-Laser unter Verwendung von Halbleitermaterialien entwickelt, der vielversprechend ist, um unter anderem den Einsatz von ultraviolettem Licht zum Sterilisieren medizinischer Instrumente, zum Reinigen von Wasser, zum Erkennen gefährlicher Gase und zur Ermöglichung präziser Fotolithographie zu verbessern.

Wenn es um ultraviolettes Licht geht, sind zwei wichtige Eigenschaften die Frequenz – bestimmte Frequenzen eignen sich am besten zur Zerstörung von Viren oder zum Erkennen von Molekülen – und die Linienbreite, ein Maß für die Präzision des Lasers. Wissenschaftler und Ingenieure suchen nach Quellen für eine qualitativ hochwertigere und effizientere Emission von ultraviolettem Licht, aber es ist eine Herausforderung, mit den Halbleitermaterialien zu arbeiten, die dies ermöglichen können.

In einem am 11. März in der Zeitschrift AIP Advances veröffentlichten Artikel wird detailliert beschrieben, wie Cornell-Wissenschaftler ein Gerät auf der Basis von Aluminiumgalliumnitrid herstellten, das in der Lage ist, einen Laser im tiefen Ultraviolett bei gesuchten Wellenlängen und Modallinienbreiten zu emittieren.

„Es ist bekannt, dass dies ein geeignetes Material ist, aber es war ein Problem bei der Materialsynthese“, sagte Len van Deurzen, ein Doktorand der angewandten und technischen Physik, der die Forschung leitete. „Die Herausforderung besteht darin, die Materialien so rein zu machen, dass sie tatsächlich nützlich sind und den Anforderungen eines Lasers genügen.“

Van Deurzen nahm diese Herausforderung während der COVID-19-Pandemie an, als der Markt für ultraviolette LEDs und andere Werkzeuge zur Erkennung und Beseitigung des SARS-CoV-2-Virus zu boomen begann.

„Ich wollte ein Forschungsprojekt, das Wirkung haben könnte“, sagte van Deurzen, „und die Pandemie hat den Bedarf an verbesserten UV-Geräten wirklich verstärkt.“

Unter der Leitung der leitenden Autoren des Artikels Debdeep Jena und Huili Grace Aluminiumnitrid.

„Wir brauchen mehrere übereinander gestapelte Aluminium-Galliumnitrid-Schichten und ein wichtiger Parameter ist die Grenzflächenqualität zwischen diesen Schichten“, sagte van Deurzen. „Wir können sehr scharfe Grenzflächen ohne die Verunreinigungen und Versetzungen wachsen lassen, die bei anderen Wachstumstechniken entstehen.“

Die zweite Herausforderung bestand darin, aus den gestapelten Schichten einen optischen Hohlraum zu schaffen, der zum Einfangen des emittierten Lichts und zur Förderung der stimulierten Emission verwendet werden konnte, die für den Laser erforderlich ist. Der Hohlraum wurde in Form eines kleinen Resonators im Mikrometerbereich auf einem Aluminiumnitrid-Chip erzeugt, den van Deurzen mit Hilfe der Cornell NanoScale Science and Technology Facility entwickeln konnte.

„Es ist ein echtes Privileg, die Materialien anbauen und den Chip in zwei hochmodernen Anlagen im selben Gebäude produzieren zu können“, sagte van Deurzen mit Blick auf Duffield Hall. „Man geht einfach vom dritten Stock in den Keller.“

Nach seiner Fertigstellung konnte der Laser eine Spitzenverstärkung bei einer Wellenlänge von 284 Nanometern und modalen Linienbreiten in der Größenordnung von 0,1 Nanometern erreichen. Die Linienbreite ist um eine Größenordnung präziser als bei ähnlichen Geräten und zeigt die Anwendbarkeit der Wachstumsmethode für verbesserte Emitter für ultraviolettes Licht.

Der Cornell-Tief-Ultraviolett-Laser ist optisch gepumpt, was bedeutet, dass er durch die Eingabe von Photonen in das Gerät bestimmte Voraussetzungen für den Laserbetrieb schafft. Der nächste Forschungsschritt besteht laut Jena darin, mit derselben Materialplattform einen Laser zu realisieren, der durch elektrischen Strom aus einer Batterie angetrieben wird – eine praktischere Energiequelle für kommerziell erhältliche lichtemittierende Geräte.

„Laser im tiefen Ultraviolett sind wohl die letzte Grenze bei Halbleitermaterialien und -geräten mit enormen langfristigen Vorteilen“, sagte Jena, David E. Burr-Professor für Ingenieurwissenschaften und Richard E. Lunquist Sesquicentennial Faculty Fellow. „Aber es ist auch die Art von Problem, in das sich ein junger Doktorand hineinversetzen und sofort etwas bewirken kann.“

Zu den Co-Autoren des Papiers gehören der Doktorand Ryan Page und die wissenschaftlichen Mitarbeiter Vladimir Protasenko und Kazuki Nomoto. Die Forschung wurde vom US-Energieministerium finanziert und von Nutzereinrichtungen unterstützt, die von der National Science Foundation finanziert wurden.

Syl Kacapyr ist stellvertretender Direktor für Marketing und Kommunikation am College of Engineering.

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