Hvordan fælles elementer kan gøre en mere energisikker fremtid

Tyndfilm solpaneler, mobiltelefonen i din hånd og LED -pæren, der belyser dit hjem, er alle lavet med nogle af de sjældneste, de dyreste elementer, der findes på planeten.

Et internationalt team inklusive forskere ved University of Michigan har udtænkt en måde at lave denne slags optoelektroniske materialer fra billigere, mere rigelige elementer. Disse forbindelser kan også "afstemmes" til effektivt at høste elektrisk energi fra de forskellige bølgelængder af lys i solspektret og til at producere det farveområde, vi gerne vil bruge i belysning.

Kun bestemte former for forbindelser - en kombination af to eller flere elementer - kan bruges til at fremstille elektroniske enheder, der effektivt udsender lys eller samler elektricitet. Hvis du husker kemiklasser i din grundskole, hver kolonne i det periodiske system betragtes som en gruppe af elementer.

For eksempel, gruppe III inkluderer elementer som indium og gallium - begge relativt knappe elementer, der ikke desto mindre understøtter applikationer, der kombinerer lys og elektricitet. Problemet er, disse forbindelser involverer ofte elementer, der kun findes få steder rundt om i verden.

"Faktisk, vi er i fare for at løbe tør for nogle af disse elementer, fordi de ikke er lette at genbruge, og de har begrænset udbud, sagde fysiker Roy Clarke, der leder U-M indsatsen. "Det er ikke levedygtigt for teknologi at stole på noget, der sandsynligvis vil løbe tør for en skala fra 10 til 20 år."

Forskergruppen fandt en måde at kombinere to fælles elementer fra søjler i gruppe III for at lave en ny sammensat sammensat af elementer fra gruppe II, IV og V. Denne II-IV-V-forbindelse kan bruges i stedet for de sjældne elementer, der typisk findes i III-V optoelektroniske materialer med lignende egenskaber-undtagen langt mere rigelige og billigere.

Den nye forbindelse af zink, tin og nitrogen kan høste både solenergi og lys, så det ville fungere i tyndfilm solpaneler såvel som i LED-pærer, mobiltelefonskærme og tv -skærme.

Brug af magnesium i stedet for zink udvider materialernes rækkevidde yderligere til blåt og ultraviolet lys. Begge forbindelser er også "afstemelige" - det vil sige, når forskerne dyrker krystaller af begge forbindelser, elementerne kan ordnes på en sådan måde, at materialet er følsomt over for bestemte bølgelængder af lys.

Denne afstemning er ønsket, fordi den giver forskere mulighed for at finjustere materialet for at reagere på det bredeste område af lysets bølgelængder. Dette er især vigtigt for lysemitterende dioder, så enhedsdesignere kan vælge farven på det producerede lys.

"Når du tænder et hjem eller et kontor, du vil være i stand til at justere lysets varme, efterligner ofte naturligt sollys, "Sagde Clarke." Disse nye II-IV-V-forbindelser ville tillade os at gøre det. "

Kandidatstuderende Robert Makin, Krystal York og James Mathis voksede de tynde film i Steve Durbins laboratorium, professor i elektroteknik og computerteknik ved Western Michigan University.

Makin, der lige har tjent sin ph.d. fra WMU og er hovedforfatter til undersøgelsen, brugte en teknik kaldet molecular beam epitaxy (MBE) til at producere de ønskede forbindelser under de korrekte betingelser til at lave film med en omhyggeligt kontrolleret grad af atomordre.

MBE lægger hvert atomlag af forbindelsen ned på en systematisk måde, så forskerne kunne studere det tynde lag, eller film, struktur, da de voksede den. Den næste fase af forskningen, fører til konstruktion af forskellige enhedsdesign, opfordrer til detaljerede undersøgelser af denne materialefamilies elektroniske respons og test af forskellige nanoskalaarkitekturer, der udnytter deres alsidighed.

Forskerteamet omfatter også medlemmer fra Université de Lorraine i Frankrig og University of Canterbury i New Zealand. Deres forskning er publiceret i Fysisk gennemgangsbreve .