Fotorilevatori restringenti come questo, creato e testato nel laboratorio del professore di ingegneria UW-Madison Zhenqiang (Jack) Ma, contribuiscono a ridurre le dimensioni dell'elettronica di consumo. Credito:Stephanie Precourt/UW-Madison
Nell'elettronica sempre più potente di oggi, i materiali minuscoli sono un must poiché i produttori cercano di aumentare le prestazioni senza aggiungere ingombro.
Più piccolo è anche meglio per i dispositivi optoelettronici, come i sensori delle fotocamere o le celle solari, che raccolgono la luce e la convertono in energia elettrica. Pensare, Per esempio, sulla riduzione delle dimensioni e del peso di una serie di pannelli solari, produrre una foto di qualità superiore in condizioni di scarsa illuminazione, o anche trasmettere i dati più rapidamente.
Però, due grandi sfide si sono frappose:primo, la riduzione delle dimensioni dei materiali a film sottile "amorfi" convenzionalmente utilizzati ne riduce anche la qualità. E secondo, quando i materiali ultrasottili diventano troppo sottili, diventano quasi trasparenti e in realtà perdono parte della capacità di raccogliere o assorbire la luce.
Ora, in un fotorilevatore su nanoscala che combina un metodo di fabbricazione unico e strutture di intrappolamento della luce, un team di ingegneri dell'Università del Wisconsin-Madison e dell'Università di Buffalo ha superato entrambi questi ostacoli.
I ricercatori, i professori di ingegneria elettrica Zhenqiang (Jack) Ma e Zongfu Yu all'UW-Madison e Qiaoqiang Gan a Buffalo, hanno descritto il loro dispositivo, un fotorivelatore a nanomembrana al germanio monocristallino su un substrato di nanocavità, oggi (7 luglio, 2017) sulla rivista Progressi scientifici .
Zhenyang Xia, studente laureato in ingegneria elettrica e informatica della UW-Madison, tiene in mano un piatto contenente campioni di fotorivelatori. I colori del campione variano a seconda di come sono sintonizzati per assorbire una specifica lunghezza d'onda della luce. Credito:Stephanie Precourt/UW-Madison
"L'idea, fondamentalmente, se si desidera utilizzare un materiale molto sottile per realizzare la stessa funzione dei dispositivi in cui è necessario utilizzare un materiale molto spesso, "dice Ma.
Il dispositivo è costituito da nano-cavità racchiuse tra uno strato superiore di germanio monocristallo ultrasottile e uno strato riflettente di argento.
"A causa delle nano-cavità, i fotoni vengono "riciclati", quindi l'assorbimento della luce è sostanzialmente aumentato, anche in strati di materiale molto sottili, "dice Ma.
Le nano-cavità sono costituite da una serie ordinata di minuscole, molecole interconnesse che essenzialmente riflettono, o circolare, leggero. Gan ha già dimostrato che le sue strutture a nanocavità aumentano la quantità di luce che i materiali semiconduttori sottili come il germanio possono assorbire.
Però, la maggior parte dei film sottili di germanio inizia come germanio nella sua forma amorfa, il che significa che la disposizione atomica del materiale manca del regolare, ordine ripetuto di un cristallo. Ciò significa anche che la sua qualità non è sufficiente per applicazioni optoelettroniche sempre più piccole.
Sintonizzati per assorbire specifiche lunghezze d'onda della luce, il nuovo fotorivelatore è costituito da nanocavità racchiuse tra uno strato superiore ultrasottile di germanio a cristallo singolo e argento riflettente sul fondo. Zhenyang Xia
È qui che entra in gioco l'esperienza di Ma'. Un esperto mondiale di dispositivi a nanomembrana a semiconduttore, Ma ha utilizzato una rivoluzionaria tecnologia di trasferimento a membrana che gli consente di integrare facilmente materiali semiconduttori monocristallini su un substrato.
Il risultato è molto sottile, ma molto efficace, fotorilevatore ad assorbimento di luce:un elemento costitutivo per il futuro dell'optoelettronica.
"Si tratta di una tecnologia abilitante che consente di esaminare un'ampia varietà di optoelettronica che può arrivare a impronte ancora più piccole, dimensioni più piccole, "dice Yu, che ha condotto l'analisi computazionale dei rivelatori.
Mentre i ricercatori hanno dimostrato il loro progresso utilizzando un semiconduttore al germanio, possono anche applicare il loro metodo ad altri semiconduttori.
"E, cosa importante, sintonizzando la nano-cavità, possiamo controllare quale lunghezza d'onda assorbiamo effettivamente, " dice Gan. "Questo aprirà la strada allo sviluppo di molti diversi dispositivi optoelettronici".
