Forskare från Tohoku University har förbättrat en metod för att sondera halvledande kristaller med ljus för att upptäcka defekter och föroreningar. Detaljerna om deras rundstrålande fotoluminescens (ODPL) spektroskopiuppsättning publicerades i tidskriften Tillämpad fysik Express , och skulle kunna bidra till att förbättra tillverkningen av material för elbilar och solceller.

"Vår teknik kan testa material vid mycket låga temperaturer och kan hitta även små mängder defekter och föroreningar, " säger materialforskaren Kazunobu Kojima på Tohoku University.

Kojima och hans kollegor visade sitt tillvägagångssätt med galliumnitridkristaller. Galliumnitrid är en halvledande kristall som har använts i energibesparande lysdioder (LED) sedan 2000-talet. Den har intressanta optiska och elektroniska egenskaper, gör det attraktivt för många applikationer, inklusive strömbrytare i elfordon. Men det kan utveckla defekter och föroreningar under tillverkningen, vilket kan påverka prestandan. För närvarande tillgängliga metoder för att testa dessa kristaller är dyra eller för invasiva.

ODPL-spektroskopin, å andra sidan, är en icke-invasiv teknik som kan testa kristallerna, men bara i rumstemperatur. Att kunna ändra kristallens temperatur är viktigt för att korrekt testa dess egenskaper.

Kojima och hans kollegor hittade ett sätt att ställa in ett ODPL-instrument så att kristallen kan kylas. Processen innebär att en galliumnitridkristall placeras på en aluminiumplatta ansluten till en kylanordning. Detta är placerat under en "integrerande sfär, " som samlar ljus som kommer från många håll. Externt ljus lyser genom sfären på kristallen, spännande det. Kristallen avger ljus tillbaka in i sfären för att återgå till sitt initiala oexciterade tillstånd. De två ljusen, från den externa källan och kristallen, är integrerade i sfären och mäts av en detektor. Resultatet avslöjar kristallens "inre kvanteffektivitet, " som reduceras om den innehåller defekter och föroreningar, och kan mätas även vid mycket låga temperaturer.

Teamets modifiering – att placera kristallen utanför sfären och koppla den till något som kyler den – innebär att temperaturförändringen i avgörande betydelse bara sker inom kristallen och inte inom sfären. Forskarna kunde mäta den interna kvanteffektiviteten hos galliumnitridprover med denna teknik vid temperaturer från -261°C till cirka 27°C.

"Vi planerar nästa att använda vår metod för att testa andra material, såsom perovskiter för användning i högeffektiva solceller och bornitrid som ett atomärt tunt tvådimensionellt material, säger Kojima.