Sapevi che i cristalli costituiscono la base per il penetrante bagliore blu ghiaccio dei fari delle auto e potrebbero essere fondamentali per il futuro della tecnologia dell'energia solare?

I cristalli sono il cuore dei diodi. Non del tipo che potresti trovare nel quarzo, formato naturalmente, ma fabbricato per formare leghe, come il nitruro di indio gallio o InGaN. Questa lega forma la regione di emissione della luce dei LED, per l'illuminazione nel campo del visibile, e di diodi laser (LD) nella gamma blu-UV.

Ricerca per produrre cristalli migliori, con alta qualità cristallina, efficienza di emissione luminosa e luminosità, è anche al centro degli studi condotti all'Arizona State University dal ricercatore Alec Fischer e dal dottorando Yong Wei nel gruppo del professor Fernando Ponce nel Dipartimento di Fisica.

In un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Lettere di fisica applicata , il gruppo ASU, in collaborazione con un team scientifico guidato dal professor Alan Doolittle presso il Georgia Institute of Technology, ha appena svelato l'aspetto fondamentale di un nuovo approccio alla coltivazione di cristalli InGaN per diodi, che promette di spostare la tecnologia delle celle solari fotovoltaiche verso efficienze record.

I cristalli di InGaN sono cresciuti come strati in una disposizione a sandwich su substrati di zaffiro. Tipicamente, i ricercatori hanno scoperto che la separazione atomica degli strati varia; una condizione che può portare ad alti livelli di sforzo, interruzioni della crescita, e fluttuazioni nella composizione chimica della lega.

"Essere in grado di alleviare lo sforzo e aumentare l'uniformità nella composizione di InGaN è molto desiderabile, "dice Ponce, "ma difficile da ottenere. La crescita di questi strati è simile al tentativo di far combaciare due favi con celle di diverse dimensioni, dove la differenza di dimensione interrompe una disposizione periodica delle cellule."

Come indicato nella loro pubblicazione, gli autori hanno sviluppato un approccio in cui sono stati introdotti impulsi di molecole per ottenere la composizione della lega desiderata. Il metodo, sviluppato da Doolittle, si chiama epitassia metallo-modulata. "Questa tecnica consente una crescita atomica strato per strato del materiale, "dice Ponce.

L'analisi della disposizione atomica e della luminosità a livello di nanoscala è stata eseguita da Fischer, l'autore principale dello studio, e Wei. I loro risultati hanno mostrato che i film cresciuti con la tecnica dell'epitassia avevano caratteristiche quasi ideali e hanno rivelato che i risultati inaspettati provenivano dal rilassamento della deformazione al primo strato atomico di crescita dei cristalli.

"Il gruppo di Doolittle è stato in grado di assemblare un cristallo finale più uniforme e le cui strutture reticolari combaciano... risultando in un film che assomiglia a un cristallo perfetto, " dice Ponce. "Anche la luminosità era come quella di un cristallo perfetto. Qualcosa che nessuno nel nostro campo pensava fosse possibile".

L'eliminazione da parte del team di ASU e Georgia Tech di questi due difetti apparentemente insormontabili (composizione non uniforme e allineamento del reticolo non corrispondente) significa in definitiva che ora è possibile sviluppare LED e prodotti solari fotovoltaici che hanno una prestazioni efficienti.

"Mentre siamo ancora lontani dalle celle solari da record, questa svolta potrebbe avere un impatto immediato e duraturo sui dispositivi emettitori di luce e potrebbe potenzialmente rendere la seconda famiglia di semiconduttori più abbondante, III-nitruri, un vero protagonista nel campo delle celle solari, " afferma Doolittle. Il team di Doolittle presso la School of Electrical and Computer Engineering della Georgia Tech comprendeva anche Michael Moseley e Brendan Gunning. È in attesa di brevetto per la nuova tecnologia.