I ricercatori della Tohoku University hanno sviluppato una tecnica che utilizza una sfera cava per misurare le proprietà elettroniche e ottiche di grandi cristalli semiconduttori. L'approccio, pubblicato sulla rivista Fisica Applicata Express , migliora le attuali tecniche di spettroscopia di fotoluminescenza e potrebbe portare a risparmi energetici per i produttori di massa, e quindi consumatori, di dispositivi di potenza.

I cristalli semiconduttori vengono utilizzati per realizzare dispositivi elettronici come chip di microprocessori e transistor. I produttori devono essere in grado di rilevare i difetti dei cristalli e testare la loro efficienza di conversione dell'energia. Un modo per farlo è misurare la loro "efficienza quantistica interna", o la loro capacità di generare fotoni da elettroni eccitati da una corrente elettrica o da un laser di eccitazione. I metodi attualmente disponibili limitano la dimensione del campione che può essere testata alla volta.

Lo scienziato dei materiali avanzati Kazunobu Kojima della Tohoku University e colleghi hanno ideato un approccio modificato alla spettroscopia di fotoluminescenza in grado di testare campioni più grandi.

La spettroscopia di fotoluminescenza standard rileva la quantità relativa di luce emessa da un cristallo semiconduttore quando un laser di eccitazione viene puntato su di esso. L'energia luminosa viene persa attraverso questi processi di eccitazione ed emissione, così gli scienziati hanno sperimentato la spettroscopia di fotoluminescenza che utilizza una "sfera integrativa" per ridurre al minimo la perdita di fotoni, le particelle elementari di luce.

Sfere integranti raccolgono sia la luce di eccitazione che la luce emessa da un campione che giace al suo interno, dove la luce viene riflessa diffusamente all'interno fino a disperdersi uniformemente. La distribuzione uniforme della luce migliora l'accuratezza e la ripetibilità dei test interni sull'efficienza quantistica. Ma questo significa che la dimensione del cristallo da testare è in definitiva limitata dalla dimensione della sfera.

Kojima e colleghi hanno scoperto di poter ancora testare l'efficienza quantistica interna di un cristallo quando è stato posizionato direttamente fuori dalla sfera, consentendo l'utilizzo di campioni più grandi.

Hanno condotto i loro test su un cristallo semiconduttore chiamato nitruro di gallio, che è comunemente usato nei LED e dovrebbe essere utilizzato nei dispositivi elettronici a causa delle sue proprietà superiori.

"Questa spettroscopia di 'fotoluminescenza omnidirezionale' può essere utilizzata per valutare la qualità di cristalli di grandi dimensioni o wafer semiconduttori, essenziali per la produzione in serie di dispositivi di potenza, "dice Kojima, aggiungendo che questo potrebbe portare al risparmio energetico e ridurre i costi di produzione.