Optisk nanokavitet for at øge lysabsorptionen i halvledere

I forbindelse med ulykkelige besøg hos tandlægen, "hulrum" betyder noget andet i den gren af ​​fysik kendt som optik.

Enkelt sagt, et optisk hulrum er et arrangement af spejle, der tillader lysstråler at cirkulere i lukkede baner. Disse hulrum hjælper os med at bygge ting som lasere og optiske fibre, der bruges til kommunikation.

Nu, et internationalt forskerhold skubbede konceptet videre ved at udvikle en optisk "nanokavitet", der øger mængden af ​​lys, som ultratynde halvledere absorberer. Fremgangen kan føre til, blandt andet, kraftigere fotovoltaiske celler og hurtigere videokameraer; det kunne også være nyttigt til at spalte vand ved hjælp af energi fra lys, som kunne hjælpe med udviklingen af ​​brintbrændstof.

Holdet, består af fakulteter og studerende fra universitetet i Buffalo og to kinesiske universiteter, præsenterede sine resultater 24. februar i tidsskriftet Avancerede materialer .

"Vi ridser bare i overfladen, men det indledende arbejde, vi har lavet, er meget lovende, " sagde Qiaoqiang Gan, PhD, hovedforfatter og UB-adjunkt i elektroteknik. "Denne fremgang kan føre til store gennembrud inden for energihøst og konvertering, sikkerhed og andre områder, der vil gavne menneskeheden."

Halvledere danner grundlaget for moderne elektronik. De virker ved at manipulere strømmen af ​​energi i elektroniske enheder. Det mest almindelige halvledermateriale, silicium, bruges til at lave mikrochips til mobiltelefoner, computere og andre elektroniske enheder.

Industrien har holdt trit med efterspørgslen efter mindre, tyndere og mere kraftfulde optoelektroniske enheder, delvis, ved at formindske størrelsen af ​​de halvledere, der anvendes i disse enheder.

Problemet, imidlertid, er, at disse ultratynde halvledere ikke absorberer lys så godt som konventionelle bulk halvledere. Derfor, der er en iboende afvejning mellem de ultratynde halvlederes optiske absorptionskapacitet og deres evne til at generere elektricitet.

Som resultat, forskere verden over forsøger at finde måder at øge mængden af ​​lys, som ultratynde halvledere kan absorbere. Forskere fra Harvard University havde for nylig forskellige grader af succes ved at kombinere tynde film af germanium, en anden almindelig halvleder, på en guldoverflade.

"Selvom resultaterne er imponerende, guld er blandt de dyreste metaller, " sagde Suhua Jiang, lektor i materialevidenskab ved Fudan University i Kina. "Vi illustrerede et nano-rum, lavet med aluminium eller andre hvidlige metaller og legeringer, der er langt billigere, kan bruges til at øge mængden af ​​lys, som halvledende materialer absorberer."

Nanokavitet består af, fra bund til top:aluminium, aluminiumoxid og germanium. I forsøget lys passerede gennem germanium, som er 1,5 til 3 nanometer tyk, og cirkulerede i en lukket bane gennem aluminiumoxidet og aluminiumet.

Absorptionshastigheden toppede med 90 procent, med germanium, der absorberer omkring 80 procent af det blågrønne lys, og aluminium absorberer resten. Dette er ideelt, sagde Haomin Song, Ph.d.-kandidat i elektroteknik ved UB og avisens første forfatter, fordi hovedparten af ​​lyset forbliver inden for det halvledende materiale.

"Nanokavitet har mange potentielle anvendelser. F.eks. det kunne hjælpe med at øge mængden af ​​lys, som solceller er i stand til at høste; det kunne implanteres på kamerasensorer, såsom dem, der bruges til sikkerhedsformål, der kræver en højhastighedsrespons. Det har også egenskaber, der kan være nyttige til fotokatalytisk vandspaltning, som kunne hjælpe med at gøre brintbrændstof til virkelighed, " sagde Song.

Inden noget af det sker, imidlertid, der skal forskes mere, især da det vedrører, hvordan halvlederen ville gøre lyset til strøm i modsætning til varme.

Gans forskningsgruppe samarbejder med Alexander Cartwright, PhD, UB professor i elektroteknik og vicepræsident for forskning og økonomisk udvikling, og Mark Swihart, PhD, UB professor i kemi og biologisk teknik, at udvikle ultratynde energi-høstningsanordninger.

Gan arbejder også med Hao Zeng, PhD, UB lektor i fysik, at studere dens effekt på fotokatalyse.