Gør siliciumenheder lydhøre over for infrarødt lys

Forskere har prøvet en række forskellige metoder til at udvikle detektorer, der reagerer på en bred vifte af infrarødt lys - som kunne danne billeddannelsesarrays til sikkerhedssystemer, eller solceller, der udnytter en bredere vifte af sollys energi - men disse metoder har alle stået over for begrænsninger. Nu, et nyt system udviklet af forskere ved fem institutioner, inklusive MIT, kunne fjerne mange af disse begrænsninger.

Den nye tilgang er beskrevet i et papir offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation af MIT kandidatstuderende Jonathan Mailoa, lektor i maskinteknik Tonio Buonassisi, og 11 andre.

Silicium, som danner grundlaget for det meste af halvleder- og solcelleteknologi, lader normalt det meste infrarøde lys passere lige igennem. Dette skyldes, at materialets båndgab - en grundlæggende elektronisk egenskab - kræver et energiniveau, der er større end det, der bæres af fotoner af infrarødt lys. "Silicon har normalt meget lidt interaktion med infrarødt lys, " siger Buonassisi.

Forskellige behandlinger af silicium kan afbøde denne adfærd, normalt ved at skabe en bølgeleder med strukturelle defekter eller dope den med visse andre elementer. Problemet er, at de fleste sådanne metoder har betydelige negative effekter på siliciums elektriske ydeevne; kun arbejde ved meget lave temperaturer; eller kun få silicium til at reagere på et meget smalt bånd af infrarøde bølgelængder.

Det nye system fungerer ved stuetemperatur og giver en bred infrarød respons, siger Buonassisi. Det inkorporerer guldatomer i overfladen af ​​siliciums krystalstruktur på en måde, der bevarer materialets oprindelige struktur. Derudover det har den fordel at bruge silicium, en almindelig halvleder, der er relativt billig, let at behandle, og rigeligt.

Fremgangsmåden fungerer ved at implantere guld i de øverste hundrede nanometer silicium og derefter bruge en laser til at smelte overfladen i nogle få nanosekunder. Siliciumatomerne omkrystalliserer til et næsten perfekt gitter, og guldatomerne når ikke at flygte, før de bliver fanget i gitteret.

Faktisk, materialet indeholder omkring 1 procent guld, en mængde mere end 100 gange større end siliciums opløselighedsgrænse:Normalt, det er som om man putter mere sukker i en kop kaffe, end væsken kan absorbere, fører til ophobning af sukker i bunden af ​​koppen. Men under visse betingelser, materialer kan overskride deres normale opløselighedsgrænser, skabe det, der kaldes en overmættet løsning. I dette tilfælde, den nye forarbejdningsmetode producerer et lag silicium overmættet med guldatomer.

"Det er stadig en siliciumkrystal, men den har en enorm mængde guld nær overfladen, " siger Buonassisi. Mens andre har prøvet lignende metoder med andre materialer end guld, MIT-teamets arbejde er den første klare demonstration af, at teknikken kan arbejde med guld som det tilføjede materiale, han siger.

"Det er en stor milepæl, det viser, at du kan gøre dette, " siger Mailoa. "Dette er især attraktivt, fordi vi kan vise bredbånds infrarød respons i silicium ved stuetemperatur." Selvom dette er et tidligt arbejde, til nogle specialiserede formål - såsom et system til justering af infrarød laserjustering - kan det være nyttigt relativt hurtigt.

Denne brug af guld var en overraskelse:Normalt er guld uforeneligt med noget, der involverer silicium, siger Buonassisi. Selv den mindste partikel af den kan ødelægge anvendeligheden af ​​en siliciummikrochip - så meget, at i mange chipfremstillingsfaciliteter, det er strengt forbudt at bære guldsmykker. "Det er en af ​​de farligste urenheder i silicium, " han siger.

Men ved de meget høje koncentrationer opnået ved laserdoping, Buonassisi siger, guld kan have en netto positiv optoelektronisk påvirkning, når infrarødt lys skinner på enheden.

Selvom denne tilgang kan føre til infrarøde billedbehandlingssystemer, Buonassisi siger, dens effektivitet er sandsynligvis for lav til brug i siliciumsolceller. Imidlertid, denne laserbehandlingsmetode kan være anvendelig til forskellige materialer, der ville være nyttige til fremstilling af solceller, han siger.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.