I ricercatori della Tohoku University hanno migliorato un metodo per sondare i cristalli semiconduttori con la luce per rilevare difetti e impurità. I dettagli della loro configurazione della spettroscopia a fotoluminescenza omnidirezionale (ODPL) sono stati pubblicati sulla rivista Fisica Applicata Express , e potrebbe contribuire a migliorare la fabbricazione di materiali per auto elettriche e celle solari.

"La nostra tecnica può testare i materiali a temperature molto basse e può trovare anche piccole quantità di difetti e impurità, ", afferma lo scienziato dei materiali della Tohoku University Kazunobu Kojima.

Kojima e i suoi colleghi hanno dimostrato il loro approccio utilizzando cristalli di nitruro di gallio. Il nitruro di gallio è un cristallo semiconduttore che è stato utilizzato nei diodi a emissione di luce (LED) a risparmio energetico dagli anni 2000. Ha interessanti proprietà ottiche ed elettroniche, rendendolo attraente per molte applicazioni, compresi i dispositivi di commutazione di potenza nei veicoli elettrici. Ma può sviluppare difetti e impurità durante la sua fabbricazione, che possono influire sulle prestazioni. I metodi attualmente disponibili per testare questi cristalli sono costosi o troppo invasivi.

La spettroscopia ODPL, d'altra parte, è una tecnica non invasiva in grado di testare i cristalli, ma solo a temperatura ambiente. Essere in grado di modificare la temperatura del cristallo è importante per testare adeguatamente le sue proprietà.

Kojima e i suoi colleghi hanno trovato un modo per impostare uno strumento ODPL in modo che il cristallo possa essere raffreddato. Il processo prevede il posizionamento di un cristallo di nitruro di gallio su una piastra di alluminio collegata a un dispositivo di raffreddamento. Questo è posto sotto una "sfera integrativa, " che raccoglie la luce proveniente da molte direzioni. La luce esterna viene irradiata attraverso la sfera sul cristallo, eccitandolo. Il cristallo emette luce nella sfera per tornare al suo stato iniziale non eccitato. Le due luci, dalla sorgente esterna e dal cristallo, sono integrati all'interno della sfera e misurati da un rilevatore. Il risultato rivela "l'efficienza quantica interna del cristallo, " che si riduce se contiene difetti e impurità, e può essere misurato anche a temperature molto basse.

La modifica del team, posizionando il cristallo all'esterno della sfera e collegandolo a qualcosa che lo raffredda, significa che il cambiamento di temperatura avviene in modo cruciale solo all'interno del cristallo e non all'interno della sfera. Gli scienziati sono stati in grado di misurare l'efficienza quantica interna dei campioni di nitruro di gallio utilizzando questa tecnica a temperature comprese tra -261°C e circa 27°C.

"Prevediamo di utilizzare il nostro metodo per testare altri materiali, come le perovskiti per l'uso in celle solari altamente efficienti e il nitruro di boro come materiale bidimensionale atomicamente sottile, "dice Kojima.