Tunnfilms solpaneler, mobiltelefonen i handen och LED -lampan som belyser ditt hem är alla gjorda med några av de sällsynta, de dyraste elementen som finns på planeten.

Ett internationellt team inklusive forskare vid University of Michigan har tagit fram ett sätt att göra dessa typer av optoelektroniska material av billigare, mer rikliga element. Dessa föreningar kan också "ställas in" för att effektivt skörda elektrisk energi från de olika våglängderna av ljus i solspektrumet och för att producera de färger som vi gillar att använda i belysning.

Endast specifika typer av föreningar - en kombination av två eller flera element - kan användas för att göra elektroniska enheter som effektivt avger ljus eller samlar elektricitet. Om du kommer ihåg kemiklasserna i grundskolan, varje kolumn i det periodiska systemet betraktas som en grupp av element.

Till exempel, grupp III innehåller element som indium och gallium - båda relativt knappa element som ändå för närvarande stödjer applikationer som kombinerar ljus och elektricitet. Problemet är, dessa föreningar involverar ofta element som bara finns på ett fåtal platser runt om i världen.

"Faktiskt, vi riskerar att ta slut på några av dessa element eftersom de inte är lätta att återvinna och har begränsat utbud, sa fysikern Roy Clarke, som leder U-M-insatsen. "Det är inte lönsamt för teknik att förlita sig på något som sannolikt kommer att ta slut i en skala från 10 till 20 år."

Forskargruppen hittade ett sätt att kombinera två vanliga element från kolumner inom grupp III för att skapa en ny förening bestående av element från grupper II, IV och V. Denna II-IV-V-förening kan användas i stället för de sällsynta element som vanligtvis finns i III-V optoelektroniska material med liknande egenskaper-förutom mycket mer rikliga och billigare.

Den nya föreningen av zink, tenn och kväve kan skörda både solenergi och ljus, så det skulle fungera i tunnfilms solpaneler såväl som i LED-lampor, mobiltelefonskärmar och tv -skärmar.

Genom att använda magnesium istället för zink utökas materialets räckvidd ytterligare till blått och ultraviolett ljus. Båda föreningarna är också "avstämbara" - det vill säga när forskarna odlar kristaller av endera föreningen, elementen kan ordnas på ett sådant sätt att materialet är känsligt för specifika våglängder av ljus.

Denna avstämning är önskvärd eftersom den gör det möjligt för forskare att finjustera materialet för att reagera på det bredaste området våglängder av ljus. Detta är särskilt viktigt för ljusemitterande dioder så att enhetsdesigners kan välja färgen på det producerade ljuset.

"När du tänder ett hem eller ett kontor, du vill kunna justera ljusets värme, ofta efterliknar naturligt solljus, "Sade Clarke." Dessa nya II-IV-V-föreningar skulle tillåta oss att göra det. "

Doktorander Robert Makin, Krystal York och James Mathis odlade de tunna filmerna i Steve Durbins labb, professor i el- och datateknik vid Western Michigan University.

Makin, som precis tog sin doktorsexamen från WMU och är huvudförfattare till studien, använde en teknik som kallas molekylär stråleepitaxi (MBE) för att producera de önskade föreningarna under de korrekta förhållandena för att göra filmer med en noggrant kontrollerad grad av atomordning.

MBE lägger ner varje atomlager av föreningen på ett systematiskt sätt, så att forskarna kunde studera det tunna skiktet, eller film, struktur när de växte den. Nästa fas i forskningen, som leder till konstruktion av olika enhetsdesigner, efterlyser detaljerade studier av den här materialfamiljens elektroniska svar och testning av olika nanoskalaarkitekturer som utnyttjar deras mångsidighet.

Forskargruppen inkluderar också medlemmar från Université de Lorraine i Frankrike och University of Canterbury i Nya Zeeland. Deras forskning publiceras i Fysiska granskningsbrev .