Migliorare la sensibilità dei sensori di luce o l'efficienza delle celle solari richiede una messa a punto della cattura della luce. I ricercatori KAUST hanno utilizzato una geometria complessa per sviluppare minuscoli rivestimenti a forma di conchiglia che possono aumentare l'efficienza e la velocità dei fotorivelatori.

Sono stati studiati molti progetti di cavità ottiche per cercare l'efficienza della luce:intrappolando l'onda elettromagnetica o confinando la luce nella regione attiva del dispositivo per aumentare l'assorbimento. La maggior parte impiega semplici sfere su scala micrometrica o nanometrica in cui la luce si propaga in cerchi all'interno della superficie, nota come modalità galleria sussurrante.

L'ex scienziato KAUST Der-Hsien Lien, ora ricercatore post-dottorato presso l'Università della California, Berkeley, e i suoi colleghi dalla Cina, L'Australia e gli Stati Uniti dimostrano che una geometria più complessa che comprende gusci convessi su nanoscala migliora le prestazioni dei fotorilevatori aumentando la velocità con cui operano e consentendo loro di rilevare la luce da tutte le direzioni.

Gli effetti di superficie svolgono un ruolo importante nel funzionamento di alcuni dispositivi, spiega il ricercatore principale di KAUST, Jr-Hau He. I nanomateriali offrono un modo per migliorare le prestazioni grazie al loro elevato rapporto superficie-volume. "Però, sebbene i nanomateriali abbiano una maggiore sensibilità nel rilevamento della luce rispetto alla massa, le interazioni luce-materia sono più deboli perché sono più sottili, " descrive Lui. "Per migliorare questo, progettiamo strutture per intrappolare la luce."

I ricercatori hanno realizzato i loro multi-nanoshell sferici dall'ossido di zinco semiconduttore. Immersero sfere di carbonio solido in una soluzione di sale di ossido di zinco, rivestendoli con il materiale ottico. Il trattamento termico ha rimosso il modello di carbonio e definito la geometria delle restanti nanostrutture di ossido di zinco, compreso il numero di conchiglie e la distanza tra di loro. Così Lien e colleghi sono stati in grado di progettare l'interazione tra i gusci esterni e interni per indurre una modalità galleria sussurrante e l'assorbimento della luce vicino alla superficie del nanomateriale.

Il team ha incorporato i loro nanoshell in un fotorilevatore. La simmetria dei nanoshell sferici significava che la modalità della galleria sussurrante poteva essere eccitata con poca dipendenza dall'angolo di incidenza o dalla polarizzazione della luce in arrivo.

Un problema riscontrato con i precedenti fotorivelatori basati su nanoparticelle di ossido di metallo è la loro bassa velocità, con i dispositivi che impiegano diverse centinaia di secondi per rispondere. Utilizzando nanoshell di ossido di zinco, i fotorilevatori sono stati in grado di rispondere in 0,8 millisecondi.

"Questa strategia può essere applicata ad altri lavori, come celle solari e dispositivi di divisione dell'acqua, " dice Lui. "In futuro, esamineremo diversi sistemi di materiali e strutture di progettazione che migliorano anche le prestazioni del dispositivo in queste altre applicazioni".