Materiaalien sähköstaattista suunnittelua

Graz University of Technologyn tutkijat kartoittavat radikaalisti uudenlaista lähestymistapaa suunnitella materiaalien optisia ja sähköisiä ominaisuuksia.

Egbert Zojer ja hänen ryhmänsä käyttävät tietokonesimulaatioita ja ehdottavat kokonaan uutta konseptia, jolla hallita materiaalien sähköisiä ominaisuuksia.

”Sähköstaattisen suunnittelukonseptin perustason lähestymistapa on muuttaa puolijohteiden elektronisia tiloja dipolaaristen ryhmien periodisten järjestelyjen kautta. Näin pystymme paikallisesti manipuloimaan energiatasoja hallitusti. Näin tehden emme yritä löytää keinoja ohittaa tällaisia vaikutuksia, jotka ovat väistämättömiä erityisesti rajapinnoilla. Pikemminkin otamme tarkoituksellisesti ne meidän omiin käyttötarkoituksiin”, selittää Egbert Zojer.

Kokeissaan he ovat osoittaneet, että energiasiirtymiä kerrosrakenteiden sisällä todella tapahtuu ja että varausten kulkua monokerroksisten kautta voidaan tarkoituksellisesti moduloida. Myös kaksiulotteisien materiaalien, kuten grafeenin elektronitiloja, voidaan ohjata kollektiivisella sähköstaattisella vaikutuksella.

Ryhmän työ osoittaa potentiaalia konseptille myös kolmiulotteisiin materiaaleihin. He osoittivat, että yhteisen sähköstaattisen vaikutuksen kautta kolmiulotteinen materiaalin sisällä energiamaisemaa voidaan manipuloida siten, että spatiaalisesti rajattuja väyliä elektroneille ja aukoille voidaan toteuttaa.

Tällä tavalla esimerkiksi varauksenkuljettajia voidaan erottaa ja materiaalin elektronisia ominaisuuksia voidaan suunnitella halutulla tavalla,” toteaa Zojer.

Tämä on erityisen kiinnostavaa valosähköisille sovelluksille. Esimerkiksi orgaanisissa aurinkokennoissa käytetään kemiallisesti erilaisia rakennelohkoja eli luovuttajia ja akseptoreita erottamaan fotogeneroituneita elektroni-aukko pareja.

Ehdotetussa lähestymistavassa, tarvittava energiatasojen paikallinen muutos syntyy polaaristen ryhmien periodisista järjestelyistä Puolijohtavat alueet, johon elektronit ja aukot siirtyvät ovat kemiallisesti identtisiä. ”Tällä tavoin voimme lähes jatkuvasti ja tehokkaasti hienosäätää energiatasoja vaihtelemalla dipolien tiheyttä toteaa Zojer.

Sähköstaattinen 3D järjestelmien suunnittelu voi myös mahdollistaa realisoida monimutkaisia kvanttirakenteita, kuten kvantti-kaskadeja ja kvantti-shakkiruutuja. Vain materiaalisuunnittelijoiden mielikuvitus voi asettaa rajoituksia konseptillemme toteavat TU Grazin Egbert Zojer ja Veronika Obersteiner.