Kraftig ny fotodetektor kan muliggøre optoelektroniske fremskridt

I dagens stadig mere kraftfulde elektronik, små materialer er et must, da producenter søger at øge ydeevnen uden at tilføje bulk.

Mindre er også bedre til optoelektroniske enheder - som kamerasensorer eller solceller - som samler lys og konverterer det til elektrisk energi. Tænke, for eksempel, om at reducere størrelsen og vægten af ​​en række solpaneler, fremstilling af et foto i højere kvalitet under dårlige lysforhold, eller endda overføre data hurtigere.

Imidlertid, to store udfordringer har stået i vejen:For det første krympning af størrelsen på konventionelt anvendte "amorfe" tyndfilmsmaterialer reducerer også deres kvalitet. Og for det andet, når ultratynde materialer bliver for tynde, de bliver næsten gennemsigtige og mister faktisk en vis evne til at samle eller absorbere lys.

Nu, i en nanoskala fotodetektor, der kombinerer en unik fremstillingsmetode og lysfangende strukturer, et team af ingeniører fra University of Wisconsin-Madison og University at Buffalo har overvundet begge disse forhindringer.

Forskerne-elektrotekniske professorer Zhenqiang (Jack) Ma og Zongfu Yu ved UW-Madison og Qiaoqiang Gan i Buffalo-beskrev deres enhed, en enkeltkrystallinsk germanium nano-membran fotodetektor på et nano-hulrumsunderlag, i dag (7. juli, 2017) i journalen Videnskab fremskridt .

"Ideen, i bund og grund, vil du bruge et meget tyndt materiale til at realisere den samme funktion af enheder, hvor du skal bruge et meget tykt materiale, "siger Ma.

Enheden består af nano-hulrum, der er klemt mellem et toplag af ultratyndt krystal-germanium og et reflekterende lag af sølv.

"På grund af nano-hulrum, fotonerne 'genbruges', så lysabsorptionen øges betydeligt - selv i meget tynde lag af materiale, "siger Ma.

Nano-hulrum består af en ordnet række små, sammenkoblede molekyler, der i det væsentlige afspejler, eller cirkulere, lys. Gan har allerede vist, at hans nano-hulrumsstrukturer øger mængden af ​​lys, tynde halvledende materialer som germanium kan absorbere.

Imidlertid, de fleste germanium tynde film begynder som germanium i sin amorfe form - hvilket betyder, at materialets atomarrangement mangler det normale, gentagelse af en krystal. Det betyder også, at kvaliteten ikke er tilstrækkelig til stadig mindre optoelektroniske applikationer.

Det er her, Ma's ekspertise spiller ind. En verdensekspert i halvleder-nanomembranenheder, Ma brugte en revolutionerende membranoverførselsteknologi, der giver ham mulighed for let at integrere enkelt krystallinske halvledende materialer på et substrat.

Resultatet er en meget tynd, alligevel meget effektiv, lysabsorberende fotodetektor-en byggesten til fremtiden for optoelektronik.

"Det er en aktiverende teknologi, der giver dig mulighed for at se på en lang række optoelektronik, der kan gå til endnu mindre fodaftryk, mindre størrelser, "siger Yu, der foretog beregningsanalyse af detektorerne.

Mens forskerne demonstrerede deres fremskridt ved hjælp af en germanium halvleder, de kan også anvende deres metode på andre halvledere.

"Og vigtigst af alt, ved at indstille nano-hulrummet, vi kan styre, hvilken bølgelængde vi rent faktisk absorberer, "siger Gan." Dette vil åbne mulighed for at udvikle masser af forskellige optoelektroniske enheder. "