Nanopartikler med en skalstruktur forbedrer ydeevnen af ​​zinkoxidfotodetektorer

Forbedring af lyssensorers følsomhed eller solcellers effektivitet kræver finjustering af lysopfangning. KAUST-forskere har brugt kompleks geometri til at udvikle små skalleformede belægninger, der kan øge effektiviteten og hastigheden af ​​fotodetektorer.

Mange optiske hulrumsdesign er blevet undersøgt for at søge lysets effektivitet:enten ved at fange den elektromagnetiske bølge eller ved at begrænse lys til det aktive område af enheden for at øge absorptionen. De fleste anvender simple mikrometer- eller nanometerskalakugler, hvor lyset forplanter sig rundt i cirkler på indersiden af ​​overfladen, kendt som en hviskende galleritilstand.

Tidligere KAUST-forsker Der-Hsien Lien, nu postdoc-forsker ved University of California, Berkeley, og hans kolleger fra Kina, Australien og USA viser, at en mere kompleks geometri, der omfatter konvekse nanoskala -skaller, forbedrer fotodetektorernes ydeevne ved at øge den hastighed, de arbejder med, og sætte dem i stand til at detektere lys fra alle retninger.

Overfladeeffekter spiller en vigtig rolle i driften af ​​nogle enheder, forklarer KAUST hovedforsker, Jr-Hau He. Nanomaterialer tilbyder en måde at forbedre ydeevnen på på grund af deres høje overflade-til-volumen-forhold. "Imidlertid, selvom nanomaterialer har større følsomhed i lysdetektion sammenlignet med bulk, lys-stof-interaktionerne er svagere, fordi de er tyndere, " beskriver han. "For at forbedre dette, vi designer strukturer til at fange lys. "

Forskerne lavede deres sfæriske multi-nanoskaller af halvlederen zinkoxid. De nedsænkede faste kulstofkugler i en zinkoxidsaltopløsning, belægning dem med det optiske materiale. Varmebehandling fjernede kulstofskabelonen og definerede geometrien af ​​de resterende zinkoxidnanostrukturer, inklusive antallet af skaller og afstanden mellem dem. Således var Lien og kolleger i stand til at konstruere samspillet mellem ydre og indre skaller for at fremkalde en hviskende galleritilstand og lysabsorption nær overfladen af ​​nanomaterialet.

Holdet inkorporerede deres nanoskaller i en fotodetektor. Symmetrien af ​​de sfæriske nanoskaller betød, at den hviskende galleritilstand kunne ophidses med ringe afhængighed af indfaldsvinklen eller polariseringen af ​​det indkommende lys.

Et problem, man stødte på med tidligere fotodetektorer baseret på metaloxid-nanopartikler, er deres langsomme hastighed, med enhederne, der tager så mange hundrede sekunder at svare. Brug af zinkoxid nanoskaller, fotodetektorer var i stand til at reagere på 0,8 millisekunder.

"Denne strategi kan anvendes på andet arbejde, solceller og vandopdelere, " siger han. "I fremtiden, vi vil se på forskellige materialesystemer og designstrukturer, der også forbedrer enhedens ydeevne i disse andre applikationer."