Designer optoelektronik - kvantemekanik til nye materialer

Europæiske forskere har kombineret computermodellering af kvantemekanik og præcisionsfremstillingsprocesser for at skabe nye gennemsigtige ledende oxider, der er lavet på bestilling til en lang række videnskabelige og forbrugerapplikationer.

Forestil dig at præcisere, hvordan du vil have et nyt materiale til at opføre sig, overdrage disse specifikationer til en ingeniør, og få et helt nyt materiale tilbage med præcis de kvaliteter, du har brug for.

Det var, hvad det EU-finansierede projekt NATCO (for Novel Advanced Transparent Conductive Oxides) satte sig for at gøre. De designede og udviklede nye transparente ledende oxider (TCO'er) til krævende specifikationer ved at anvende kvantemekanik til at forudsige et materiales optiske og elektroniske egenskaber, fremstiller det, og kontrollere deres resultater eksperimentelt.

Resultaterne? Helt nye TCO'er med en bred vifte af potentielle applikationer inden for sensorer, solceller, smarte vinduer, og snesevis af andre videnskabelige, kommercielle og forbrugerprodukter.

"Inden for optoelektronik, der er et stort behov for at finde bedre og billigere materialer, ”Siger Guy Garry, koordinator for NATCO -projektet. ”Den rute, vi tog, var først at foretage beregninger for at finde den bedste måde at få de ejendomme, vi havde brug for. Da vi fremstillede disse materialer, fandt vi ud af, at deres ejendomme var de samme, som vi havde beregnet. ”

Denne rationelle designproces - ved hjælp af første principper til at beregne ledningsevne og gennemsigtighed af nye materialer, før de fremstillede dem - tillod forskerne at udvikle nye TCO'er med forbedret ydeevne hurtigt og effektivt.

”Vi var i stand til at foretage disse beregninger meget hurtigt, hvilket tillod os at forbedre eksisterende ejendomme og finde nye ejendomme, ”Siger Dr Garry.

Helt nyt optoelektronisk materiale

TCO'er - materialer, der kombinerer gennemsigtighed og ledningsevne, kvaliteter, der normalt ikke findes sammen - har flere applikationer. Som sensorer, solceller, lysemitterende apparater og elektronisk styrbare film, de findes i videnskabelige instrumenter, DVD'er, digitale kameraer, mobiltelefoner, computerskærme og hundredvis af andre produkter.

Indtil for nylig, de fleste TCO'er stolede på et materiale kaldet ITO, et oxid af indium, der er dopet - let modificeret - ved tilsætning af en lille mængde tin. ITO'er har vist sig nyttige, men, Dr Garry siger, lider af to ulemper. Deres gennemsigtighed er ikke særlig god, især i det nær-infrarøde område, og indium er en mangelvare og meget dyr.

NATCO -teamet besluttede at udforske et helt andet materiale, strontiumcuprat dopet med varierende mængder barium. Kobber, barium og strontium er langt mere rigelige og meget billigere end indium.

Omfattende beregninger, der anvender kvantemekanik, forudsagde, at ved doping af strontiumcuprat med et par vægtprocent barium, forskerne kunne skabe netop de materialer, de ønskede, kombinerer god elektrisk ledningsevne og optisk gennemsigtighed.

Fremstilling af de nye materialer var en udfordring. Først blev materialerne fremstillet i form af bulkkeramik og derefter, til egentlige applikationer, tynde lag blev afsat på egnede substrater.

Til sidst, forskerne besluttede sig for to deponeringsteknikker - pulseret laseraflejring (PLD) og metal organisk kemisk aflejring (MOCVD).

I PLD, et udbrud af laserlys fordamper det materiale, der skal deponeres, skabe en tynd film på en glas- eller siliciumoverflade. Det giver præcis kontrol, men kan ikke bruges på store overflader.

MOCVD bruger organisk kemi til at skabe gasser, der aflejrer det ønskede materiale på en overflade. Det er en mere kompliceret procedure, men har den fordel, at den kan skaleres op til at belægge store overflader.

Når de havde fremstillet materialerne, forskerne kunne teste, hvor godt deres elektriske og optiske egenskaber matchede de forudsagte værdier. "Dette var første gang, at der blev udført denne form for arbejde med TCO'er, ”Siger Dr Garry.

Flere applikationer i værkerne

I dag, en af ​​de mest lovende anvendelser af NATCOs nye TCO'er er inden for udsøgt følsomme biosensorer. Disse enheder, med tunge-vridning titlen Elecro-Chemical Optical Waveguide Light-mode spektroskopisensorer, er fremstillet af den ungarske konsortiumpartner MicroVacuum. De arbejder ved at måle, hvor lyset er bøjet, når det passerer gennem et meget tyndt optisk bølgelederlag.

Når målmolekyler binder til overfladen af ​​detektoren, de ændrer TCO's brydningsindeks, hvilket igen ændrer hvordan lys passerer gennem bølgelederen. Anvendelse af et varierende elektrisk felt gennem laget giver yderligere information om molekylerne.

"Vi fik meget gode resultater på disse enheder ved hjælp af vores strontium cuprate materialer, ”Siger Dr Garry. Han forudser en lang række applikationer til disse sensorer, især inden for proteomik.

Projektets kommercielle og akademiske partnere forfølger andre applikationer til NATCOs designer TCO'er, herunder mere effektive solceller, smarte vinduer, nye lyskilder, og materialer til modulering af laserlys.

For Dr Garry, resultaterne af projektets første principper for modellering og præcisionsfremstillingstilgang er så opmuntrende, at han planlægger at anvende dem på mere udfordrende problemer.

"Vi vil gerne bruge denne rute til at studere mere komplicerede materialer, " han siger. "For eksempel, at se på ferrolektricitet for at se, hvorfor nogle materialer med samme struktur er ferrolektriske, mens andre ikke er det. ”