I ricercatori hanno provato una varietà di metodi per sviluppare rilevatori che rispondono a un'ampia gamma di luce infrarossa, che potrebbero formare array di immagini per i sistemi di sicurezza, o celle solari che sfruttano una gamma più ampia di energia solare, ma tutti questi metodi hanno dovuto affrontare dei limiti. Ora, un nuovo sistema sviluppato da ricercatori di cinque istituzioni, compreso il MIT, potrebbe eliminare molte di queste limitazioni.

Il nuovo approccio è descritto in un articolo pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura dallo studente laureato del MIT Jonathan Mailoa, professore associato di ingegneria meccanica Tonio Buonassisi, e altri 11

Silicio, che costituisce la base della maggior parte della tecnologia dei semiconduttori e delle celle solari, normalmente lascia passare la maggior parte della luce infrarossa. Questo perché il bandgap del materiale, una proprietà elettronica fondamentale, richiede un livello di energia maggiore di quello trasportato dai fotoni della luce infrarossa. "Il silicio di solito ha pochissima interazione con la luce infrarossa, " dice Buonassisi.

Vari trattamenti del silicio possono mitigare questo comportamento, solitamente creando una guida d'onda con difetti strutturali o drogandola con certi altri elementi. Il problema è che la maggior parte di questi metodi ha effetti negativi significativi sulle prestazioni elettriche del silicio; lavorare solo a temperature molto basse; o solo rendere il silicio sensibile a una banda molto stretta di lunghezze d'onda infrarosse.

Il nuovo sistema funziona a temperatura ambiente e fornisce un'ampia risposta a infrarossi, dice Buonassisi. Incorpora atomi d'oro nella superficie della struttura cristallina del silicio in modo da mantenere la struttura originale del materiale. Inoltre, ha il vantaggio di utilizzare il silicio, un semiconduttore comune che è relativamente a basso costo, facile da elaborare, e abbondante.

L'approccio funziona impiantando oro nei primi cento nanometri di silicio e quindi utilizzando un laser per fondere la superficie per alcuni nanosecondi. Gli atomi di silicio si ricristallizzano in un reticolo quasi perfetto, e gli atomi d'oro non hanno il tempo di scappare prima di rimanere intrappolati nel reticolo.

Infatti, il materiale contiene circa l'1% di oro, una quantità più di 100 volte maggiore del limite di solubilità del silicio:normalmente, è come se in una tazza di caffè si mettesse più zucchero di quello che il liquido potrebbe assorbire, portando all'accumulo di zucchero sul fondo della tazza. Ma a determinate condizioni, i materiali possono superare i loro normali limiti di solubilità, creando quella che viene chiamata una soluzione sovrasatura. In questo caso, il nuovo metodo di lavorazione produce uno strato di silicio sovrasaturato con atomi d'oro.

"È ancora un cristallo di silicio, ma ha un'enorme quantità di oro vicino alla superficie, " dice Buonassisi. Mentre altri hanno provato metodi simili con materiali diversi dall'oro, il lavoro del team del MIT è la prima chiara dimostrazione che la tecnica può funzionare con l'oro come materiale aggiunto, lui dice.

"È un grande traguardo, mostra che puoi farlo, " Dice Mailoa. "Questo è particolarmente interessante perché possiamo mostrare la risposta a infrarossi a banda larga nel silicio a temperatura ambiente". per alcuni scopi specializzati, come un sistema per regolare l'allineamento del laser a infrarossi, potrebbe essere utile in tempi relativamente brevi.

Questo uso dell'oro è stata una sorpresa:di solito l'oro è incompatibile con tutto ciò che riguarda il silicio, dice Buonassisi. Anche la più piccola particella può distruggere l'utilità di un microchip di silicio, tanto che in molti impianti di produzione di chip, è severamente vietato indossare gioielli d'oro. "È una delle impurità più pericolose nel silicio, " lui dice.

Ma alle altissime concentrazioni raggiunte dal drogaggio laser, Buonassisi dice, l'oro può avere un impatto optoelettronico netto positivo quando la luce infrarossa colpisce il dispositivo.

Sebbene questo approccio possa portare a sistemi di imaging a infrarossi, Buonassisi dice, la sua efficienza è probabilmente troppo bassa per l'uso in celle solari al silicio. Però, questo metodo di lavorazione laser potrebbe essere applicabile a diversi materiali che sarebbero utili per realizzare celle solari, lui dice.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.