Nature子刊：科學家製造出具有非彈性電子隧道的銀晶體納米裝置

近期，美國加州大學聖地亞哥分校的工程師們利用先進的製造技術，用銀晶體製造了納米級裝置，其中，這種裝置可以通過微小的屏障有效地「隧穿」電子來產生光。意義在於推動等離子體研究的發展，使其更接近於實現對於高速、光學數據處理和其他晶元應用的超緊光源。

左圖為由兩個邊對邊銀單晶長方體形成的具有聚乙烯吡咯烷酮（PVP）絕緣屏障的隧道結的示意圖。其中，頂部插圖顯示光子是通過非彈性電子隧道產生的。而且可以通過調整長方體的尺寸（a，b，c），間隙尺寸（d）和銀長方體邊緣的曲率來設計裝置性能。右圖為隧道結的TEM圖，如圖顯示其間隙約為1.5 nm。圖片來源：Haoliang Qian / 自然光子學

加利福尼亞大學聖地亞哥分校的工程師利用先進的製造技術，用銀晶體製造納米級裝置，這種裝置可以通過微小的屏障有效地「隧穿」電子來產生光。而且這項工作使等離子體研究更接近於實現用於高速、光學數據處理以及其他晶元應用的超緊光源。

這項工作於7月23日在Nature Photonics上發表。

該裝置為何會發光，主要是因為在這種裝置上產生了一種非彈性電子隧穿的量子力學的現象。在這個過程中，電子穿過了原本無法穿越的堅固屏障。其中，電子在穿越時會失去一些能量，而損失掉的這部分能量就會以光子或聲的形式釋放出來。

等離子體研究人員一直在使用非彈性電子隧穿技術來製造具有大調製帶寬的超小型光源。然而，因為只有很小一部分電子可以非彈性地隧穿，所以發光效率通常很低——最多只有百分之幾。

加州大學聖地亞哥分校的工程師們發明了一種可以將效率提高到大約2%的裝置。雖然這種裝置還不足以應用於實際使用中，但它在一種新型光源的研究方面邁出了第一步，加州大學聖地亞哥雅各布斯工程學院(UC San Diego Jacobs School Of Engineering)電氣和計算機工程教授Zhaowei Liu說道。

「我們正在探索一種新的發光方式，」Liu說。

Liu的團隊使用計算方法和數值模擬設計了新的發光裝置。加州大學聖地亞哥雅各布斯工程學院納米工程教授Andrea Tao實驗室的研究人員隨後利用先進的溶液化學技術製造了這個裝置。

該裝置是一種微型蝴蝶結狀等離子體納米結構，即由兩個單晶體銀長方體連接在一個角上。其中，連接拐角處是由聚乙烯吡咯烷酮（PVP）製成1.5納米寬的絕緣屏障。

這種微小的金屬-絕緣體-金屬(銀-PVP-銀)結合點就是發生作用的地方。連接到納米晶體上的電極可以在器件上施加電壓。電子從銀納米晶體的一角穿過微小的PVP屏障時，會將能量轉移到表面發生等離子極化（電磁波沿著金屬-絕緣體界面傳播），然後把能量轉換為光子。

但是，這種特殊的結合點在隧穿電子方面更有效的原因在於它的幾何形狀和非常小的尺寸。通過一個微小的絕緣體屏障將兩個銀單晶在其角落處連接在一起，而且，實際上研究人員還製造了一種高質量的光學天線，其具有高的局部光學狀態密度，所以使得其更有效地將電子能量轉換為光。

Liu解釋說，金屬-絕緣體-金屬結合點在過去一直具有如此低的光發射效率，因為它們是沿著整個表面而不是一個角落連接金屬晶體而形成的。他說，需要為電子提供一種高質量的光學天線，這種光學天線具有更小的隧道間隙，而且可以有效地發射光，但是這種結構很難用過去使用的納米光刻法製作。

Tao表示：「利用化學，我們可以建立這些精確的納米結合點，從而實現更高效的光發射，我們使用的製造技術為我們的材料提供了原子水平的控制——我們可以根據我們使用的試劑來決定溶液中晶體的大小和形狀，我們還可以創造出具有原子平面和極端鋒利角的結構。」

在之後的研究中，該團隊旨在進一步提高效率，以期再提高一個數量級。而且他們正在探索不同的幾何圖形和材料，以供將來研究。

原文來自sciencedaily，原文題目：Nanocrystals emit light by efficiently "tunneling" electrons，由材料科技在線團隊翻譯整理

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