Nanostrukturerede metalbelægninger slipper lyset igennem til elektroniske enheder

Lys og elektricitet danser en kompliceret tango i enheder som LED'er, solceller og sensorer. En ny antirefleksbelægning udviklet af ingeniører ved University of Illinois i Urbana Champaign, i samarbejde med forskere ved University of Massachusetts i Lowell, slipper lys igennem uden at hæmme strømmen af ​​elektricitet, et skridt, der kunne øge effektiviteten i sådanne enheder.

Belægningen er en specialgraveret, nanostruktureret tynd film, der slipper mere lys igennem end en flad overflade, giver dog også elektrisk adgang til det underliggende materiale - en afgørende kombination for optoelektronik, enheder, der omdanner elektricitet til lys eller omvendt. Forskerne, ledet af U. of I. professor i elektrisk og computeringeniør Daniel Wasserman, offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Avancerede materialer .

"Evnen til at forbedre både elektrisk og optisk adgang til et materiale er et vigtigt skridt hen imod optoelektroniske enheder med højere effektivitet, sagde Wasserman, medlem af Micro and Nano Technology Laboratory i Illinois.

I grænsefladen mellem to materialer, såsom en halvleder og luft, noget lys reflekteres altid, sagde Wasserman. Dette begrænser effektiviteten af ​​optoelektroniske enheder. Hvis der udsendes lys i en halvleder, en del af dette lys vil aldrig undslippe halvledermaterialet. Alternativt for en sensor eller solcelle, en brøkdel af lys vil aldrig nå frem til detektoren for at blive opsamlet og omdannet til et elektrisk signal. Forskere bruger en model kaldet Fresnels ligninger til at beskrive refleksion og transmission ved grænsefladen mellem to materialer.

"Det har længe været kendt, at strukturering af overfladen af ​​et materiale kan øge lystransmissionen, " sagde studie medforfatter Viktor Podolskiy, en professor ved University of Massachusetts i Lowell. "Blandt sådanne strukturer, en af ​​de mere interessante ligner strukturer, der findes i naturen, og omtales som et 'møløje'-mønster:små nanopiller, som kan 'slå' Fresnel-ligningerne ved bestemte bølgelængder og vinkler."

Selvom sådanne mønstrede overflader hjælper med lystransmission, de hindrer elektrisk transmission, skabe en barriere for det underliggende elektriske materiale.

"I de fleste tilfælde, tilsætning af et ledende materiale til overfladen resulterer i absorption og refleksion, som begge vil forringe enhedens ydeevne, " sagde Wasserman.

Illinois og Massachusetts-teamet brugte en patenteret metode til metal-assisteret kemisk ætsning, MacEtch, udviklet i Illinois af Xiuling Li, U. af I. professor i elektro- og computerteknik og medforfatter til det nye papir. Forskerne brugte MacEtch til at gravere en mønstret metalfilm ind i en halvleder for at skabe en række små nanopiller, der rejser sig over metalfilmen. Kombinationen af ​​disse "møløje" nanopiller og metalfilmen skabte et delvist coatet materiale, der overgik den ubehandlede halvleder.

"Nanopillerne forbedrer den optiske transmission, mens metalfilmen giver elektrisk kontakt. Bemærkelsesværdigt, vi kan forbedre vores optiske transmission og elektriske adgang samtidigt, " sagde Runyu Liu, en kandidatforsker ved Illinois og en co-lead forfatter af værket sammen med Illinois kandidat forsker Xiang Zhao og Massachusetts kandidat forsker Christopher Roberts.

Forskerne viste, at deres teknik, hvilket resulterer i, at metal dækker omtrent halvdelen af ​​overfladen, kan transmittere omkring 90 procent af lyset til eller fra overfladen. Til sammenligning, det nøgne, umønstret overflade uden metal kan kun transmittere 70 procent af lyset og har ingen elektrisk kontakt.

Forskerne demonstrerede også deres evne til at tune materialets optiske egenskaber ved at justere metalfilmens dimensioner og hvor dybt den ætser ind i halvlederen.

"Vi søger at integrere disse nanostrukturerede film med optoelektroniske enheder for at demonstrere, at vi samtidig kan forbedre både de optiske og elektroniske egenskaber af enheder, der opererer ved bølgelængder fra det synlige hele vejen til det fjerne infrarøde, " sagde Wasserman.