Ny spektroskopimetode kan føre til bedre optiske enheder

Et forskningshold på flere universiteter har brugt en ny spektroskopisk metode til at få et centralt indblik i, hvordan lys udsendes fra lagdelte nanomaterialer og andre tynde film.

Teknikken, kaldet energimomentumspektroskopi, gør det muligt for forskere at se på lyset, der kommer fra en tynd film og afgøre, om det kommer fra emittere orienteret langs filmens plan eller fra emittere, der er vinkelret på filmen. At kende udsendernes retning kan hjælpe ingeniører med bedre at udnytte tyndfilmsmaterialer i optiske enheder som lysdioder eller solceller.

Forskningen, udgivet online den 3. marts i Naturnanoteknologi , var en samarbejdsindsats fra Brown University, Case Western Reserve University, Columbia University, og University of California – Santa Barbara.

Den nye teknik drager fordel af en grundlæggende egenskab ved tynde film:interferens. Interferenseffekter kan ses i regnbuens farver, der er synlige på overfladen af ​​sæbebobler eller olieudslip. Forskere kan analysere, hvordan lys konstruktivt og destruktivt griber ind i forskellige vinkler for at drage konklusioner om selve filmen - hvor tyk den er, for eksempel. Denne nye teknik tager den slags analyse et skridt videre for lysemitterende tynde film.

"Den vigtigste forskel i vores teknik er, at vi ser på energien såvel som vinklen og polarisationen, hvor lys udsendes, "sagde Rashid Zia, adjunkt i teknik ved Brown University og en af ​​undersøgelsens hovedforfattere. "Vi kan relatere disse forskellige vinkler til forskellige orienteringer af emittere i filmen. Ved nogle vinkler og polariseringer, vi ser kun lysemission fra emittere i flyet, mens vi i andre vinkler og polariseringer kun ser lys, der stammer fra emittere uden for flyet. "

Forskerne demonstrerede deres teknik på to vigtige tyndfilmsmaterialer, molybdendisulfid (MoS2) og PTCDA. Hver repræsenterer en klasse af materialer, der viser løfte om optiske applikationer. MoS2 er et todimensionalt materiale, der ligner grafen, og PTCDA er en organisk halvleder. Undersøgelsen viste, at lysemission fra MoS2 kun sker fra in-plane emittere. I PTCDA, lys kommer fra to forskellige arter af emittere, et i flyet og et uden for flyet.

Når emitterernes orientering er kendt, Zia siger, det kan være muligt at designe strukturerede enheder, der maksimerer disse retningsegenskaber. I de fleste applikationer, tyndfilmsmaterialer er lagt oven på hinanden. Emitterernes orienteringer i hvert lag angiver, om der sker elektroniske excitationer inden for hvert lag eller på tværs af lag, og det har betydning for, hvordan en sådan enhed skal konfigureres.

"Hvis du lavede en LED ved hjælp af disse lagdelte materialer, og du vidste, at de elektroniske excitationer skete på tværs af en grænseflade, "Sagde Zia, "så er der en bestemt måde, du vil designe strukturen på for at få alt det lys ud og øge dets samlede effektivitet."

Det samme koncept kan gælde lysabsorberende enheder som solceller. Ved at forstå, hvordan de elektroniske excitationer sker i materialet, det kunne være muligt at strukturere det på en måde, der dækker mere indgående lys til elektricitet.

"En af de spændende ting ved denne forskning er, hvordan den samlede mennesker med forskellig ekspertise, "Zia sagde." Vores gruppes ekspertise hos Brown er i at udvikle nye former for spektroskopi og studere den elektroniske oprindelse af lysemission. Kymissis -gruppen i Columbia har stor ekspertise inden for organiske halvledere, og Shan -gruppen hos Case Western har stor ekspertise inden for lagdelte nanomaterialer. Jon Schuller, undersøgelsens første forfatter, gjorde et godt stykke arbejde med at bringe al denne ekspertise sammen. Jon var en gæsteforsker her på Brown, en postdoktor i Energy Frontier Research Center i Columbia, og er nu professor ved UCSB. "