Forskere slipper grafentiger løs for mere effektiv optoelektronik

I jagten på at høste lys til elektronik, omdrejningspunktet er det øjeblik, hvor fotoner - lyspartikler - støder på elektroner, de negativt ladede subatomære partikler, der danner grundlaget for vores moderne elektroniske liv. Hvis forholdene er rigtige, når elektroner og fotoner mødes, en udveksling af energi kan forekomme. Maksimering af denne overførsel af energi er nøglen til at gøre effektiv lysfanget energi mulig.

"Dette er idealet, men det er meget svært at finde høj effektivitet, " sagde University of Washington fysikdoktorand Sanfeng Wu. "Forskere har ledt efter materialer, der vil lade dem gøre dette - en måde er at få hver absorberet foton til at overføre al sin energi til mange elektroner, i stedet for kun én elektron i traditionelle enheder."

I traditionelle lyshøstmetoder, energi fra én foton exciterer kun én elektron eller ingen afhængigt af absorberens energigab, overfører kun en lille del af lysenergien til elektricitet. Den resterende energi går tabt som varme. Men i et blad udgivet 13. maj i Videnskabens fremskridt , Wu, UW lektor Xiaodong Xu og kolleger ved fire andre institutioner beskriver en lovende tilgang til at lokke fotoner til at stimulere flere elektroner. Deres metode udnytter nogle overraskende kvante-niveau interaktioner til at give en foton flere potentielle elektronpartnere. Wu og Xu, der har ansættelser i UW's Institut for Materialevidenskab og Teknik og Institut for Fysik, gjorde denne overraskende opdagelse ved hjælp af grafen.

"Graphen er et stof med mange spændende egenskaber, " sagde Wu, avisens hovedforfatter. "Til vores formål, det viser en meget effektiv interaktion med lys."

Grafen er et todimensionalt hexagonalt gitter af carbonatomer bundet til hinanden, og elektroner er i stand til at bevæge sig let inden for grafen. Forskerne tog et enkelt lag grafen - kun et ark kulstofatomer tykt - og lagde det mellem to tynde lag af et materiale kaldet bornitrid.

"Bornitrid har en gitterstruktur, der minder meget om grafen, men har meget forskellige kemiske egenskaber, "sagde Wu." Elektroner flyder ikke let inden i bor-nitrid; det fungerer i det væsentlige som en isolator."

Xu og Wu opdagede, at når grafenlagets gitter er på linje med lagene af bornitrid, en type "supergitter" er skabt med egenskaber, der tillader effektiv optoelektronik, som forskere havde søgt. Disse egenskaber er afhængige af kvantemekanik, de til tider forvirrende regler, der styrer interaktioner mellem alle kendte partikler af stof. Wu og Xu opdagede unikke kvanteregioner inden for supergitteret kendt som Van Hove-singulariteter.

"Dette er områder med enorm elektrontæthed af stater, og de blev ikke tilgået i hverken grafen eller bornitrid alene, " sagde Wu. "Vi skabte kun disse områder med høj elektrontæthed på en tilgængelig måde, når begge lag var justeret sammen."

Da Xu og Wu rettede energiske fotoner mod supergitteret, de opdagede, at disse Van Hove-singulariteter var steder, hvor en energiforsynet foton kunne overføre sin energi til flere elektroner, som efterfølgende opsamles af elektroder - ikke kun én elektron eller ingen med den resterende energi tabt som varme. Ved et konservativt skøn, Xu og Wu rapporterer, at inden for denne supergitter kan en foton "sparke" op til fem elektroner til at strømme som strøm.

Med opdagelsen af ​​at indsamle flere elektroner ved absorption af en foton, forskere kan være i stand til at skabe højeffektive enheder, der kunne høste lys med en stor energifortjeneste. Fremtidigt arbejde vil skulle afdække, hvordan de ophidsede elektroner skal organiseres i elektrisk strøm for at optimere energiomdannende effektivitet og fjerne nogle af de mere besværlige egenskaber ved deres supergitter, såsom behovet for et magnetfelt. Men de mener, at denne effektive proces mellem fotoner og elektroner repræsenterer et stort fremskridt.

"Graphene er en tiger med et stort potentiale for optoelektronik, men låst i et bur, " sagde Wu. "Singulariteterne i dette supergitter er nøglen til at låse op for det bur og frigive grafenens potentiale for anvendelse af let høst."