Fotoneille vauhtia piissä luistelutyylillä

Luomalla valolle ja aineelle olla vuorovaikutuksessa uudella tavalla, Kalifornian Irvine yliopiston tutkijat ovat mahdollistaneet ultraohuiden piiaurinkokennojen valmistuksen.

Kehitys riippuu UC Irvine -tutkijoiden tekemästä puhtaan piin muuntamisesta epäsuoran kaistanvälin puolijohteen suoraksi sen ollessa vuorovaikutuksessa valon kanssa.

Tutkijat rajoittivat fotonit alle 3 nanometrin kuviointiin lähellä bulkkipuolijohdetta, antaen valolle uuden ominaisuuden – laajennetun momentin eli liikemäärän – joka avaa uusia vuorovaikutusreittejä valon ja aineen välillä. Eli piin pintaa "koristelemalla" he saivat lisäyksen valon absorptioon suuruusluokilla ja paransivat merkittävästi rakenteen suorituskykyä.

"Suoran kaistavälin puolijohdemateriaaleissa elektronit siirtyvät valenssikaistalta johtavuuskaistalle. Tämä prosessi vaatii vain energian muutoksen; joten se on tehokas siirto”, totesi johtava kirjoittaja Dmitry Fishman, UC Irvinen kemian dosentti.

”Epäsuoran kaistavälin materiaaleissa, kuten piissä, tarvitaan apukomponenttia eli fononia antamaan elektronille siirtymään tarvittava liikemäärä. Koska fotonin, fononin ja elektronin vuorovaikutuksen todennäköisyys samassa paikassa ja samassa ajassa on pieni, piin optiset ominaisuudet ovat luonnostaan heikkoja. Hän jatkoi, että epäsuorana puolijohteena piin huonot optiset ominaisuudet rajoittavat aurinkoenergian muuntamisen ja optoelektroniikan kehittymistä yleensä.

"Fotonit kantavat energiaa, mutta tuskin lainkaan liikemäärää, mutta jos muutamme tätä oppikirjoissa selitettyä kertomusta ja annamme jotenkin fotoneille liikemäärää, voimme virittää elektroneja tarvitsematta apuhiukkasia", täydentää toinen kirjoittaja Eric Potma.

Mutta kun fotoni rajoittuu alle muutaman nanometrin mittakaavaan, se saa ennennäkemättömän liikemääräjakauman, saman verran kuin elektronien momentti kiinteässä olomuodossa. Tutkimus osoittaa, että valo pystyy indusoimaan diagonaalisen liikemäärän kieltämiä siirtymiä, ja itse asiassa muuttamaan epäsuorat puolijohteet suoriksi.

"Temppu vähentää vuorovaikutuksen vain kahteen hiukkaseen, fotoniin ja elektroniin, samalla tavalla kuin suoran kaistanvälin puolijohteissa, ja lisää valon absorptiota kertoimella 10 000, mikä muuttaa täysin valon ja aineen vuorovaikutuksen muuttamatta itse materiaalin kemiaa.”

Toinen kirjoittaja Ara Apkarian toteaa: "Tämä ilmiö muuttaa perusteellisesti valon vuorovaikutusta aineen kanssa. Perinteisesti oppikirjoissa opetetaan niin sanottuja vertikaalisia optisia siirtymiä, joissa materiaali absorboi valoa ja fotoni muuttaa vain elektronin energiatilaa. Liikemäärällä tehostetut fotonit voivat kuitenkin muuttaa sekä elektronien energia- että liikemäärätiloja ja avata uusia siirtymäreittejä, joita emme olleet aiemmin tulleet miettineeksi.

Kuvaannollisesti sanottuna voimme "kallistaa oppikirjaa", koska nämä fotonit mahdollistavat diagonaaliset siirtymät. Tämä vaikuttaa dramaattisesti materiaalin kykyyn absorboida tai emittoida valoa."

Tutkijoiden mukaan kehitys tarjoaa mahdollisuuden hyödyntää puolijohdevalmistustekniikoiden viimeaikaisia edistysaskeleita alle 1,5 nanometrin mittakaavassa, millä voi olla vaikutuksia valontunnistukseen ja valoenergian muunnosteknologioihin.

Aiheesta aiemmin:

Entistä tehokkaampia aurinkokennoja

Metapinta tehostaa aurinkokennoa

Ennätystehokkuus ohuille piiaurinkokennoille