Associato a visite infelici dal dentista, "cavità" significa qualcos'altro nel ramo della fisica noto come ottica.

In poche parole, una cavità ottica è una disposizione di specchi che consente ai fasci di luce di circolare in percorsi chiusi. Queste cavità ci aiutano a costruire cose come laser e fibre ottiche utilizzate per le comunicazioni.

Ora, un team di ricerca internazionale ha spinto ulteriormente il concetto sviluppando una "nanocavità" ottica che aumenta la quantità di luce assorbita dai semiconduttori ultrasottili. Il progresso potrebbe portare a, tra l'altro, celle fotovoltaiche più potenti e videocamere più veloci; potrebbe anche essere utile per scindere l'acqua sfruttando l'energia della luce, che potrebbe aiutare nello sviluppo del combustibile a idrogeno.

Il gruppo, composto da docenti e studenti dell'Università di Buffalo e di due università cinesi, ha presentato i suoi risultati il ​​24 febbraio sulla rivista Materiale avanzato .

"Stiamo solo grattando la superficie, ma il lavoro preliminare che abbiamo fatto è molto promettente, " disse Qiaoqiang Gan, dottorato di ricerca, autore principale e assistente professore UB di ingegneria elettrica. "Questo progresso potrebbe portare a importanti scoperte nella raccolta e nella conversione dell'energia, sicurezza e altre aree che andranno a beneficio dell'umanità".

I semiconduttori costituiscono la base dell'elettronica moderna. Funzionano manipolando il flusso di energia nei dispositivi elettronici. Il materiale semiconduttore più comune, silicio, viene utilizzato per realizzare microchip per telefoni cellulari, computer e altri dispositivi elettronici.

L'industria ha tenuto il passo con la domanda di piccoli, dispositivi optoelettronici più sottili e potenti, in parte, riducendo le dimensioni dei semiconduttori utilizzati in questi dispositivi.

Il problema, però, è che questi semiconduttori ultrasottili non assorbono la luce come i semiconduttori sfusi convenzionali. Perciò, esiste un compromesso intrinseco tra la capacità di assorbimento ottico dei semiconduttori ultrasottili e la loro capacità di generare elettricità.

Di conseguenza, i ricercatori di tutto il mondo stanno cercando di trovare modi per aumentare la quantità di luce che i semiconduttori ultrasottili possono assorbire. I ricercatori dell'Università di Harvard hanno recentemente avuto vari gradi di successo combinando film sottili di germanio, un altro semiconduttore comune, su una superficie dorata.

"Anche se i risultati sono impressionanti, l'oro è tra i metalli più costosi, " disse Suhua Jiang, professore associato di scienza dei materiali presso la Fudan University in Cina. "Abbiamo illustrato una nanocavità, realizzati con alluminio o altri metalli biancastri e leghe molto meno costose, può essere utilizzato per aumentare la quantità di luce che i materiali semiconduttori assorbono."

La nanocavità è costituita da, dal basso verso l'alto:alluminio, ossido di alluminio e germanio. Nell'esperimento, la luce passava attraverso il germanio, che ha uno spessore compreso tra 1,5 e 3 nanometri, e fatto circolare in un percorso chiuso attraverso l'ossido di alluminio e l'alluminio.

Il tasso di assorbimento ha raggiunto il picco del 90%, con il germanio che assorbe circa l'80 percento della luce blu-verde e l'alluminio che assorbe il resto. Questo è l'ideale, disse Haomin Song, Dottoranda in ingegneria elettrica presso UB e primo autore del paper, perché la maggior parte della luce rimane all'interno del materiale semiconduttore.

"La nanocavità ha molte potenziali applicazioni. Ad esempio, potrebbe aiutare ad aumentare la quantità di luce che le celle solari sono in grado di raccogliere; potrebbe essere impiantato sui sensori della fotocamera, come quelli utilizzati per scopi di sicurezza che richiedono una risposta ad alta velocità. Ha anche proprietà che potrebbero essere utili per la scissione fotocatalitica dell'acqua, che potrebbe contribuire a rendere il carburante a idrogeno una realtà, " ha detto la canzone.

Prima che ciò accada, però, occorre fare più ricerche, soprattutto per quanto riguarda il modo in cui il semiconduttore trasformerebbe la luce in energia anziché calore.

Il gruppo di ricerca di Gan sta collaborando con Alexander Cartwright, dottorato di ricerca, Professore UB di ingegneria elettrica e vicepresidente per la ricerca e lo sviluppo economico, e Mark Swihart, dottorato di ricerca, professore UB di ingegneria chimica e biologica, per sviluppare dispositivi ultrasottili per la raccolta di energia.

Gan sta anche lavorando con Hao Zeng, dottorato di ricerca, professore associato di fisica UB, studiarne l'effetto sulla fotocatalisi.