Halvledare används för otaliga optoelektroniska enheter. Dock, allt eftersom enheterna blir mindre och mindre och mer krävande, nya material behövs för att säkerställa att enheter fungerar med större effektivitet. Nu, forskare vid USC Viterbi School of Engineering har banat väg för en ny klass av halvledarmaterial som kan förbättra funktionaliteten hos optoelektroniska enheter och solpaneler - kanske till och med med hundra gånger mindre material än det vanliga kiselet.
Forskare vid USC Viterbi, ledd av Jayakanth Ravichandran, en biträdande professor vid Mork Family Department of Chemical Engineering and Material Sciences och inklusive Shanyuan Niu, Huaixun Huyan, Yang Liu, Matthew Yeung, Kevin Ye, Louis Blankemeier, Thomas Orvis, Debarghya Sarkar, biträdande professor i elektroteknik Rehan Kapadia, och David J. Singh, en professor i fysik från University of Missouri, har utvecklat en ny klass av material som är överlägsna i prestanda och har minskad toxicitet. Deras process, dokumenterat i "Bandgap Control via Structural and Chemical Tuning of Transition Metal Perovskite Chalcogenide, " publiceras i Avancerade material .
Ravichandran, ledningen för denna forskning, är materialvetare, som alltid har varit intresserad av att förstå flödet av elektroner och värme genom material, samt hur elektroner interagerar i material. Denna djupa kunskap om hur materialsammansättning påverkar elektronrörelser var avgörande för Ravichandrans och hans kollegors senaste innovation.
Datorer och elektronik har blivit bättre, men enligt Jayakanth Ravichandran, huvudforskaren av denna studie, "prestandan för den mest grundläggande enheten - transistorerna - blir inte bättre." Det finns en platå när det gäller prestanda, som noteras av vad som anses vara "slutet på Moores lag". I likhet med elektronik, det finns ett stort intresse för att utveckla högpresterande halvledare för optoelektronik. Det samarbetande teamet av materialvetare och elektroingenjörer ville utveckla nya material som kunde visa upp de idealiska optiska och elektriska egenskaperna för en mängd olika applikationer som bildskärmar, ljusdetektorer och sändare, samt solceller.
Forskarna utvecklade en klass av halvledare som kallas "transition metal perovskite chalcogenides." För närvarande, de mest användbara halvledarna rymmer inte tillräckligt med bärare för en given volym material (en egenskap som kallas "tillståndstäthet") men de transporterar elektroner snabbt och är därför kända för att ha hög rörlighet. Den verkliga utmaningen för forskare har varit att öka denna täthet av tillstånd i material, samtidigt som hög rörlighet bibehålls. Det föreslagna materialet förutspås ha dessa motstridiga egenskaper.
Som ett första steg för att visa sina potentiella tillämpningar, forskarna studerade dess förmåga att absorbera och avge ljus. "Det finns ett ordspråk, säger Ravichandran om dialogen mellan dem inom optik och fotonik, "att en mycket bra lysdiod också är en mycket bra solcell." Eftersom materialen som Ravichandran och hans kollegor utvecklade absorberar och avger ljus effektivt, solceller är en möjlig tillämpning.
Solceller absorberar ljus och omvandlar det till elektricitet. Dock, solpaneler är gjorda av kisel, som kommer från sand via en mycket energikrävande utvinningsprocess. Om solceller kunde göras av en ny, alternativt halvledarmaterial som det som skapats av USC Viterbi-forskarna - ett material som kan passa fler elektroner för en given volym (och minska tjockleken på panelerna), solceller skulle kunna vara mer effektiva — kanske använda hundra gånger mindre material för att generera samma mängd energi. Detta nya material, om det används inom solenergiindustrin, kan göra solenergi billigare.
Även om det är en lång väg att få ut en sådan klass av material på marknaden, nästa steg är att återskapa detta material i en ultratunn filmform för att tillverka solceller och testa deras prestanda. "Det viktigaste bidraget från detta arbete, " säger Ravichandran, "är vår nya syntesmetod, vilket är en drastisk förbättring från tidigare studier. Också, vår demonstration av bred avstämbarhet i optiska egenskaper (särskilt bandgap) är lovande för utveckling av nya optoelektroniska enheter med avstämbara optiska egenskaper."
