Kraftig ny fotodetektor kan muliggjøre optoelektronikk fremskritt

Anonim

I dagens stadig kraftigere elektronikk er små materialer et must, da produsenter søker å øke ytelsen uten å legge til bulk.

Mindre er også bedre for optoelektroniske enheter - som kamerasensorer eller solceller - som samler lys og konverterer det til elektrisk energi. Tenk for eksempel om å redusere størrelsen og vekten av en serie solcellepaneler, produsere et bilde av høyere kvalitet under svake lysforhold, eller til og med sende data raskere.

Imidlertid har to store utfordringer stått i veien: For det første reduserer størrelsen på konvensjonelt brukte "amorfe" tynnfilmmaterialer også deres kvalitet. Og for det andre, når ultratynne materialer blir for tynne, blir de nesten gjennomsiktige og faktisk mister noen evne til å samle seg eller absorbere lys.

Nå, i en nanoskalafotodetektor som kombinerer en unik fabrikasjonsmetode og lette fangststrukturer, har et team ingeniører fra University of Wisconsin-Madison og University at Buffalo overgått begge disse hindringene.

Forskerne, elektroteknikkprofessorene Zhenqiang (Jack) Ma og Zongfu Yu i UW-Madison og Qiaoqiang Gan i Buffalo, beskrev deres enhet, en enkeltkrystallinsk germaniumnano-membranfotodetektor på et nanokavelsubstrat, i dag (7. juli 2017)) i tidsskriftet Science Advances .

"Ideen, i utgangspunktet, vil du bruke et veldig tynt materiale for å realisere samme funksjon av enheter der du trenger å bruke et veldig tykt materiale, sier Ma.

Enheten består av nanokaviteter som er sandwichet mellom et topplag av ultratyn single-crystal germanium og et reflekterende lag av sølv.

"På grunn av nano-hulrom blir fotonene" resirkulert ", slik at lysabsorpsjonen økes vesentlig, selv i meget tynne lag av materiale, sier Ma.

Nano-hulrom består av en ordnet serie små, sammenkoblede molekyler som i hovedsak reflekterer eller sirkulerer, lys. Gan har allerede vist at hans nano-hulromstrukturer øker mengden lys som tynne halvledende materialer som germanium kan absorbere.

Imidlertid begynner de fleste germanium tynne filmer som germanium i sin amorfe form, noe som betyr at materialets atomarrangement mangler den vanlige, gjentatte rekkefølgen av en krystall. Det betyr også at kvaliteten ikke er tilstrekkelig for stadig mindre optoelektronikkapplikasjoner.

Det er der Mas ekspertise kommer inn i spill. En verdensekspert i halvledernano-membran enheter, Ma brukte en revolusjonerende membranoverføringsteknologi som tillater ham å enkelt integrere enkeltkrystallinske halvledende materialer på et substrat.

Resultatet er en veldig tynn, men svært effektiv, lysabsorberende fotodetektor - en byggestein for fremtiden for optoelektronikk.

"Det er en mulig teknologi som lar deg se på et bredt utvalg av optoelektronikk som kan gå til enda mindre fotspor, mindre størrelser, " sier Yu, som gjennomførte beregningsanalyse av detektorer.

Mens forskerne demonstrerte deres fremskritt ved hjelp av en germanium halvleder, kan de også bruke metoden deres til andre halvledere.

"Og viktigere, ved å stille inn nano-hulrommet, kan vi kontrollere hvilken bølgelengde vi faktisk absorberer, " sier Gan. "Dette vil åpne veien for å utvikle mange forskjellige optoelektroniske enheter."

menu
menu