Nøglen til ultratynde højeffektive sensorer og solceller kan være materialer dækket af små skyttegrave

Fremtidige ultratynde solceller og lyskilder kan få deres overflader dækket af bittesmå skyttegrave, efter at A*STAR-forskere fandt, at sådanne strukturer øger effektiviteten med fire størrelsesordener.

Joel Yang fra A*STAR Institute of Materials Research and Engineering var en del af et internationalt samarbejde, der opnåede en 20, 000 gange stigning i fotoluminescensen af ​​et et atom-tykt lag af wolframdiselenid, ved at montere den på en guldflade mønstret med smalle skyttegrave.

Tungsten diselenid er lovende for ultra-sensitive, ultratynde lyssensorer, solceller og lysdioder, på grund af dets evne til at absorbere lys og genudsende ved en anden frekvens. Denne effekt forekommer dog kun for et enkelt atomlag, så dens effektivitet er meget lav – det meste af lyset passerer lige igennem.

Yangs inspiration var at montere laget på en guldoverflade og fange lysenergien ved grænsefladen mellem de to lag i form af overfladeplasmoner. For at øge absorptionen af ​​lys, de tilføjede skyttegrave til guldlaget under wolframdiselenidet.

"Det var meget overraskende, at en så stor forbedring kunne være mulig, " siger Yang.

Nøglen var at matche skyttegravsstørrelsen til energien, så plasmonerne blev fanget i skyttegravene gennem en resonansproces kendt som Purcell-effekten.

Holdet skinnede 633 nanometer lys på prøven og målte output ved 750 nanometer. De fandt 12 nm brede skyttegrave i et gittermønster med en afstand på 200 nanometer gav den højeste fotoluminescens - 20, 000 gange mere end et bart lag af wolframdiselenid.

For at skabe strukturen, holdet ætset en meget flad siliciumkrystal for at skabe et gitter af kamme. Derefter afsatte de et lag guld på siliciumet og pillede det derefter af for at afsløre skyttegrave, hvor kammene havde været.

"Smalheden af ​​skyttegravene og fladheden af ​​metalfilmen er vigtig, " siger Yang. "Enhver ruhed vil interagere skadeligt med det todimensionelle materiale."

Guldet blev nedsænket i vand, og en film af wolframdiselenid flød på vandoverfladen. Guldet blev derefter langsomt rejst ud af opløsningen, kommer frem med det tynde lag ovenpå.

Den enkle struktur har mange fordele, siger Yang. "Hele overfladen er udsat for brugeren, hvilket gør det nemt for yderligere forskning, såsom funktionalisering af overfladen med kemikalier eller tilføjelse af elektroder".

Det er også lettere at fremstille end andre plasmoniske enheder, som kræver et andet lag over det tynde lag, lave en sandwich.