Pannelli solari a film sottile, il cellulare in mano e la lampadina a LED che illuminano la tua casa sono tutti realizzati utilizzando alcuni dei più rari, elementi più costosi trovati sul pianeta.

Un team internazionale che comprende ricercatori dell'Università del Michigan ha escogitato un modo per realizzare questo tipo di materiali optoelettronici da materiali più economici, elementi più abbondanti. Questi composti possono anche essere "sintonizzati" per raccogliere in modo efficiente energia elettrica dalle diverse lunghezze d'onda della luce nello spettro solare e per produrre la gamma di colori che ci piace usare nell'illuminazione.

Solo tipi specifici di composti, una combinazione di due o più elementi, possono essere utilizzati per realizzare dispositivi elettronici che emettono luce o raccolgono elettricità in modo efficiente. Se ti ricordi nelle lezioni di chimica della tua scuola elementare, ogni colonna della tavola periodica è considerata un gruppo di elementi.

Per esempio, il gruppo III comprende elementi come indio e gallio, entrambi elementi relativamente scarsi che tuttavia attualmente sono alla base delle applicazioni che combinano luce ed elettricità. Il problema è, questi composti spesso coinvolgono elementi che si trovano solo in poche località in tutto il mondo.

"Infatti, rischiamo di rimanere a corto di alcuni di questi elementi perché non sono facili da riciclare e sono in quantità limitata, " ha detto il fisico Roy Clarke, che guida lo sforzo dell'UM. "Non è fattibile per la tecnologia fare affidamento su qualcosa che probabilmente si esaurirà su una scala da 10 a 20 anni".

Il team di ricerca ha trovato un modo per combinare due elementi comuni delle colonne che mettono tra parentesi il gruppo III per creare un nuovo composto composto da elementi dei gruppi II, IV e V. Questo composto II-IV-V può essere utilizzato al posto dei rari elementi che si trovano tipicamente nei materiali optoelettronici III-V con proprietà simili, tranne che molto più abbondanti e meno costosi.

Il nuovo composto di zinco, stagno e azoto possono raccogliere sia l'energia solare che la luce, quindi funzionerebbe nei pannelli solari a film sottile e nelle lampadine a LED, schermi di telefoni cellulari e schermi televisivi.

L'uso del magnesio al posto dello zinco estende ulteriormente la portata dei materiali alla luce blu e ultravioletta. Entrambi i composti sono anche "sintonizzabili", cioè quando i ricercatori coltivano cristalli di entrambi i composti, gli elementi possono essere ordinati in modo tale che il materiale sia sensibile a specifiche lunghezze d'onda della luce.

Questa sintonizzabilità è desiderata perché consente ai ricercatori di modificare il materiale per rispondere alla più ampia gamma di lunghezze d'onda della luce. Ciò è particolarmente importante per i diodi emettitori di luce in modo che i progettisti di dispositivi possano selezionare il colore della luce prodotta.

"Quando illumini una casa o un ufficio, vuoi essere in grado di regolare il calore della luce, spesso imitando la luce solare naturale, " ha detto Clarke. "Questi nuovi composti II-IV-V ci permetterebbero di farlo."

Studenti laureati Robert Makin, Krystal York e James Mathis hanno coltivato i film sottili nel laboratorio di Steve Durbin, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Western Michigan University.

fare, che ha appena conseguito il dottorato di ricerca. da WMU ed è l'autore principale dello studio, ha utilizzato una tecnica chiamata epitassia a fascio molecolare (MBE) per produrre i composti desiderati nelle condizioni corrette per realizzare film con un grado di ordinamento atomico accuratamente controllato.

MBE depone ogni strato atomico del composto in modo sistematico, così i ricercatori potrebbero studiare lo strato sottile, o film, struttura mentre la coltivavano. La fase successiva della ricerca, portando alla costruzione di vari design di dispositivi, richiede studi dettagliati sulla risposta elettronica di questa famiglia di materiali e test di varie architetture su nanoscala che ne sfruttino la versatilità.

Il team di ricerca comprende anche membri dell'Université de Lorraine in Francia e dell'Università di Canterbury in Nuova Zelanda. La loro ricerca è pubblicata in Lettere di revisione fisica .