Bin Liu, första författare till tidningen, visas i labbet när han laddar ett mönstrat dielektriskt prov i en handskfack. Den nya detektorn är en av de första demonstrationerna av en praktisk optoelektronisk enhet baserad på polaritoner. Kredit:Forrest Lab, University of Michigan. Foto av Silvia Cardarelli.
Forskare har utvecklat en ny typ av högeffektiv fotodetektor inspirerad av de fotosyntetiska komplex som växter använder för att omvandla solljus till energi. Fotodetektorer används i kameror, optiska kommunikationssystem och många andra applikationer för att förvandla fotoner till elektriska signaler.
"Våra enheter kombinerar långväga transport av optisk energi med långdistansomvandling till elektrisk ström", säger forskargruppsledare Stephen Forrest från University of Michigan. "Detta arrangemang, analogt med vad som ses i växter, har potential att avsevärt förbättra energigenereringseffektiviteten för solceller, som använder enheter som liknar fotodetektorer för att omvandla solljus till energi."
De fotosyntetiska komplexen som finns i många växter består av ett stort ljusabsorberande område som levererar molekylärt exciterat tillståndsenergi till ett reaktionscentrum där energin omvandlas till en laddning. Även om den här installationen är mycket effektiv, kräver att man efterliknar den att man uppnår långväga energitransport i ett organiskt material, vilket har visat sig vara svårt att åstadkomma.
För att uppnå denna till synes omöjliga uppgift använde forskarna unika kvasipartiklar som kallas polaritoner. I Optica Journal, Forrest och kollegor rapporterar sin nya detektor, som genererar polaritoner i en organisk tunn film.
"En polariton kombinerar ett molekylärt exciterat tillstånd med en foton, vilket ger den både ljusliknande och materieliknande egenskaper som tillåter långväga energitransport och omvandling," sa Forrest. "Denna fotodetektor är en av de första demonstrationerna av en praktisk optoelektronisk enhet baserad på polaritoner."
Att ta reda på växter
Forskarna föreställde sig den nya detektorn för flera år sedan medan de letade efter sätt att göra bättre solceller. "Efter att ha observerat polaritonutbredning över långa avstånd i enkla strukturer som en spegel med en organisk film på ytan, trodde vi att det kunde vara möjligt att göra en fotosyntetisk analog med polaritoner," sa Forrest. "Men det var ganska svårt att komma på hur man bygger en sådan enhet."
För att skapa en fotodetektor baserad på polaritoner var forskarna tvungna att designa strukturer som tillåter polaritonutbredning över långa avstånd i en tunn organisk halvledarfilm. De var också tvungna att ta reda på hur man integrerade en enkel organisk detektor i utbredningsregionen på ett sätt som skulle producera effektiv polariton-till-laddning-omvandling.
"Vi lånade från strukturer som vi tidigare designat för att skapa effektiva organiska solceller", säger Forrest. "Det var lite slumpmässigt att dessa strukturer möjliggjorde effektiv skörd av energin som transporterades av polaritoner. Polaritoner har fortfarande några mysterier, och det här är ett nytt sätt att använda dem, så vi var inte säkra på om det skulle fungera."
Forskare utvecklade en ny typ av högeffektiv fotodetektor som liknar de fotosyntetiska komplex som växter använder för att omvandla solljus till energi. Den nya designen integrerar en enkel organisk detektor i utbredningsområdet för att producera effektiv polariton-till-laddning-omvandling över avstånd på upp till 100 mikron (0,1 nm). Kredit:Bin Liu, University of Michigan
Långdistansspridning
Forskarna analyserade sin nya enhet genom att använda ett speciellt Fourier-planmikroskop för att observera polaritonutbredning. På grund av detektorns ovanliga struktur var de tvungna att utveckla ett sätt att exakt kvantifiera resultaten och sätta dem i sammanhanget med konventionella detektorer som är välkända för optikvärlden.
Resultaten visade att den nya fotodetektorn är mer effektiv på att omvandla ljus till elektrisk ström än en jämförbar kiselfotodiod. Den kan också samla ljus från områden omkring 0,01 mm 2 och uppnå omvandling av ljus till elektrisk ström över exceptionellt långa avstånd på 0,1 nm. Detta avstånd är tre ordningar större än energiöverföringsavståndet för fotosyntetiska komplex.
Hittills har de flesta polaritoner observerats som stationära kvasipartiklar i slutna håligheter med starkt reflekterande speglar på både topp och botten. Det nya arbetet avslöjade viktiga insikter om hur polaritoner fortplantar sig i öppna strukturer med en enda spegel. Den nya enheten möjliggjorde också de första mätningarna av hur effektivt infallande fotoner kan omvandlas till polaritoner.
"Vårt arbete visar att polaritoner, förutom att vara intressant vetenskap, också är en guldgruva av applikationer som ännu inte har upptäckts," sa Forrest. "Devices such as ours provide an unusual, and possibly unique, method to understand the fundamental properties of polaritons and to enable yet to be imagined ways to manipulate light and charge." + Utforska vidare
