Forskere udvikler en ny klasse af optoelektroniske materialer

Halvledere bruges til utallige optoelektroniske enheder. Imidlertid, efterhånden som enheder bliver mindre og mindre og mere krævende, nye materialer er nødvendige for at sikre, at enheder fungerer med større effektivitet. Nu, forskere ved USC Viterbi School of Engineering har været banebrydende for en ny klasse af halvledermaterialer, der kan forbedre funktionaliteten af ​​optoelektroniske enheder og solpaneler - måske endda ved at bruge hundrede gange mindre materiale end det almindeligt anvendte silicium.

Forskere ved USC Viterbi, ledet af Jayakanth Ravichandran, en assisterende professor i Mork Family Department of Chemical Engineering and Material Sciences og herunder Shanyuan Niu, Huaixun Huyan, Yang Liu, Matthew Yeung, Kevin Ye, Louis Blankemeier, Thomas Orvis, Debarghya Sarkar, Adjunkt i elektroteknik Rehan Kapadia, og David J. Singh, en professor i fysik fra University of Missouri, har udviklet en ny klasse af materialer, der er overlegne i ydeevne og har reduceret toksicitet. Deres proces, dokumenteret i "Bandgap Control via Structural and Chemical Tuning of Transition Metal Perovskite Chalcogenide, " er offentliggjort i Avancerede materialer .

Ravichandran, førende på denne forskning, er materialeforsker, som altid har været interesseret i at forstå strømmen af ​​elektroner og varme gennem materialer, samt hvordan elektroner interagerer i materialer. Denne dybe viden om, hvordan materialesammensætning påvirker elektronbevægelser, var afgørende for Ravichandrans og hans kollegers seneste innovation.

Computere og elektronik er blevet bedre, men ifølge Jayakanth Ravichandran, denne undersøgelses hovedforsker, "ydelsen af ​​den mest basale enhed - transistorerne - bliver ikke bedre." Der er et plateau med hensyn til ydeevne, som bemærket af, hvad der betragtes som "slutningen af ​​Moores lov." I lighed med elektronik, der er stor interesse for at udvikle højtydende halvledere til optoelektronik. Det samarbejdende team af materialeforskere og elektriske ingeniører ønskede at udvikle nye materialer, som kunne fremvise de ideelle optiske og elektriske egenskaber til en række forskellige applikationer såsom skærme, lysdetektorer og sendere, samt solceller.

Forskerne udviklede en klasse af halvledere kaldet "transition metal perovskite chalcogenides." I øjeblikket, de mest nyttige halvledere har ikke nok bærere til en given mængde materiale (en egenskab, der omtales som "densitet af tilstande"), men de transporterer elektroner hurtigt og er derfor kendt for at have høj mobilitet. Den virkelige udfordring for videnskabsmænd har været at øge denne tæthed af tilstande i materialer, samtidig med at høj mobilitet bevares. Det foreslåede materiale forventes at have disse modstridende egenskaber.

Som et første skridt til at vise dets potentielle anvendelser, forskerne studerede dens evne til at absorbere og udsende lys. "Der er et ordsprog, " siger Ravichandran om dialogen mellem dem inden for optik og fotonik, "at en meget god LED også er en rigtig god solcelle." Da materialerne Ravichandran og hans kolleger udviklede absorberer og udsender lys effektivt, solceller er en mulig anvendelse.

Solceller absorberer lys og omdanner det til elektricitet. Imidlertid, solpaneler er lavet af silicium, som kommer fra sand via en meget energikrævende udvindingsproces. Hvis solceller kunne laves af en ny, alternativt halvledermateriale som det, der blev skabt af USC Viterbi-forskerne - et materiale, der kunne passe til flere elektroner for et givet volumen (og reducere tykkelsen af ​​panelerne), solceller kunne være mere effektive - måske bruge hundrede gange mindre materiale til at generere den samme mængde energi. Dette nye materiale, hvis det anvendes i solenergiindustrien, kunne gøre solenergi billigere.

Selvom det er en lang vej at bringe sådan en klasse af materialer på markedet, næste skridt er at genskabe dette materiale i en ultratynd filmform for at lave solceller og teste deres ydeevne. "Det vigtigste bidrag fra dette arbejde, " siger Ravichandran, "er vores nye syntesemetode, hvilket er en drastisk forbedring i forhold til tidligere undersøgelser. Også, vores demonstration af bred afstembarhed i optiske egenskaber (især båndgab) er lovende for udvikling af nye optoelektroniske enheder med afstembare optiske egenskaber."