"High performance, highly polarized, broadband suspended thermal light emitter based on CNTs aligned film"

Effective control of thermal radiation at the microscale plays a crucial role in advancing light source technology, particularly in the development of atomically thin, thermal light emitters. Carbon nanotubes (CNTs) films are a promising material in this field, due to their superior electronic, thermal, and optical properties. However, when CNT films are electrically biased and supported on a substrate, the efficiency of thermal radiation is low. Only a small fraction of the input energy is converted into light radiation, and the polarization of the emitted light is limited due to heat dissipation through the substrate. In this study, we present a significant breakthrough in achieving highly polarized thermal emission from an aligned CNT film that is suspended over a silicon substrate. By capitalizing on the high electrical and thermal anisotropies of the films, we explored different device configurations to enhance the thermal light emissions in the infrared to visible spectrum by reducing the vertically dissipated heat due to the suspended structure. The main result is a remarkable increase in the degree of polarization of the emitted light, that paves the way for the fabrication of highly polarized miniaturized light sources, suitable for several applications such as polarimetry, ellipsometry, chiroptical spectroscopy. A time-resolved photoluminescence measurement under rectangular electric load was also performed to estimate the specific relaxation times of the CNTs film in each device configurations. Furthermore, these latter experimental results were combined with a built-in finite-element model. The results allowed a deeper understanding of the thermal transport within the suspended structure that involves mainly the contact areas between CNTs film and metallic electrodes. The simulation model was able to estimate the electric and thermal contact properties of the devices. Lastly, during the visible light emission the enhancement of thermal and electrical contacts at the CNTs film electrode interfaces was observed. This enhancing effect increases the injected current through the conduction channel and leads to rapid breakdown of the devices.

Il controllo della radiazione termica a livello microscopico svolge un ruolo cruciale nel progresso della tecnologia delle sorgenti luminose, in particolare nello sviluppo di emettitori di luce termica basati su film sottili. I film di nanotubi di carbonio (CNTs) sono un materiale promettente in questo campo, grazie alle loro superiori proprietà elettroniche, termiche e ottiche. Tuttavia, quando i film di CNTs sono supportati da un substrato di ossido di silicio, l'efficienza della radiazione termica è bassa. Solo una piccola frazione dell'energia in ingresso viene convertita in radiazione luminosa e la polarizzazione della luce emessa è limitata a causa della dissipazione del calore attraverso il substrato. In questo studio, presentiamo un significativo passo avanti nel raggiungimento di un'emissione termica altamente polarizzata tramite un film di CNTs allineati sospeso su di un substrato di silicio. Sfruttando le elevate anisotropie elettriche e termiche del film, diverse configurazioni dell’emettitore sono state analizzate, per migliorare le emissioni di luce termica nello spettro dall'infrarosso al visibile riducendo il calore dissipato verticalmente a causa della struttura sospesa. Il principale risultato è un notevole aumento del grado di polarizzazione della luce emessa, che in tal modo apre la strada alla fabbricazione di sorgenti luminose miniaturizzate e altamente polarizzate, adatte a numerose applicazioni quali polarimetria, ellissometria, spettroscopia chiroottica. È stata inoltre eseguita una misurazione della fotoluminescenza risolta nel tempo sotto carico elettrico rettangolare per stimare i tempi di rilassamento specifici del film nelle diverse configurazioni proposte. I risultati sperimentali sono stati combinati con un modello ad elementi finiti integrato, consentendo una comprensione più approfondita del trasporto termico all’interno della struttura sospesa che coinvolge principalmente le aree di contatto tra il film e gli elettrodi metallici. Il modello di simulazione è stato in grado di stimare le proprietà di contatto elettrico e termico del dispositivo. Infine, durante l'emissione di luce visibile è stato osservato il miglioramento dei contatti termici ed elettrici in corrispondenza delle interfacce. Tale evento aumenta la corrente iniettata attraverso il canale di conduzione, e porta ad una rapida rottura del film.