Visste du att kristaller utgör grunden för bilstrålkastarnas penetrerande isblå bländning och kan vara grundläggande för framtiden inom solenergiteknik?

Kristaller är kärnan i dioder. Inte den sorten du kanske hittar i kvarts, bildas naturligt, men tillverkade för att bilda legeringar, såsom indiumgalliumnitrid eller InGaN. Denna legering bildar det ljusemitterande området för lysdioder, för belysning i det synliga området, och laserdioder (LD) i blått-UV-området.

Forskning om att göra bättre kristaller, med hög kristallin kvalitet, ljusemissionseffektivitet och ljusstyrka, är också i centrum för studier som görs vid Arizona State University av forskaren Alec Fischer och doktorand Yong Wei i professor Fernando Ponces grupp vid institutionen för fysik.

I en artikel som nyligen publicerats i tidskriften Bokstäver i tillämpad fysik , ASU-gruppen, i samarbete med ett vetenskapligt team ledd av professor Alan Doolittle vid Georgia Institute of Technology, har just avslöjat den grundläggande aspekten av ett nytt tillvägagångssätt för att växa InGaN-kristaller för dioder, som lovar att flytta fotovoltaisk solcellsteknik mot rekordstor effektivitet.

InGaN-kristallerna odlas som lager i ett sandwichliknande arrangemang på safirsubstrat. Vanligtvis, forskare har funnit att atomseparationen av lagren varierar; ett tillstånd som kan leda till höga nivåer av belastning, avbrott i tillväxten, och fluktuationer i legeringens kemiska sammansättning.

"Att kunna lindra påfrestningen och öka enhetligheten i sammansättningen av InGaN är mycket önskvärt, " säger Ponce, "men svårt att uppnå. Tillväxt av dessa lager liknar att försöka passa ihop två bikakor med olika cellstorlekar, där storleksskillnaden stör ett periodiskt arrangemang av cellerna."

Som beskrivs i deras publikation, författarna utvecklade ett tillvägagångssätt där pulser av molekyler introducerades för att uppnå den önskade legeringssammansättningen. Metoden, utvecklad av Doolittle, kallas metallmodulerad epitaxi. "Denna teknik tillåter en atomär lager-för-lager-tillväxt av materialet, säger Ponce.

Analys av atomarrangemanget och ljusstyrkan på nanoskalanivå utfördes av Fischer, huvudförfattaren till studien, och Wei. Deras resultat visade att filmerna som odlats med epitaxitekniken hade nästan idealiska egenskaper och avslöjade att de oväntade resultaten kom från spänningsavslappningen vid det första atomskiktet av kristalltillväxt.

"Doolittles grupp kunde sätta ihop en slutlig kristall som är mer enhetlig och vars gitterstrukturer matchar ... vilket resulterade i en film som liknar en perfekt kristall, " säger Ponce. "Ljusstyrkan var också som en perfekt kristall. Något som ingen inom vårt område trodde var möjligt."

ASU- och Georgia Tech-teamets eliminering av dessa två till synes oöverstigliga defekter (ojämn sammansättning och felaktig gitterinriktning) innebär i slutändan att lysdioder och solcellsprodukter nu kan utvecklas som har mycket högre, effektiv prestanda.

"Medan vi fortfarande är långt ifrån rekordstora solceller, detta genombrott kan ha omedelbar och bestående inverkan på ljusemitterande enheter och kan potentiellt bli den näst vanligaste halvledarfamiljen, III-nitrider, en riktig aktör inom solcellsområdet, " säger Doolittle. Doolittles team vid Georgia Techs School of Electrical and Computer Engineering inkluderade också Michael Moseley och Brendan Gunning. Ett patent är under behandling för den nya tekniken.