Forskare har provat en mängd olika metoder för att utveckla detektorer som är känsliga för ett brett spektrum av infrarött ljus - som kan bilda bilduppsättningar för säkerhetssystem, eller solceller som utnyttjar ett bredare utbud av solljusenergi — men dessa metoder har alla mött begränsningar. Nu, ett nytt system utvecklat av forskare vid fem institutioner, inklusive MIT, skulle kunna eliminera många av dessa begränsningar.

Det nya tillvägagångssättet beskrivs i en artikel publicerad i tidskriften Naturkommunikation av MIT doktorand Jonathan Mailoa, docent i maskinteknik Tonio Buonassisi, och 11 andra.

Kisel, som utgör grunden för de flesta halvledar- och solcellsteknologier, låter normalt det mesta infrarött ljus passera rakt igenom. Detta beror på att materialets bandgap - en grundläggande elektronisk egenskap - kräver en energinivå som är högre än den som bärs av fotoner av infrarött ljus. "Kisel har vanligtvis väldigt lite interaktion med infrarött ljus, säger Buonassisi.

Olika behandlingar av kisel kan lindra detta beteende, vanligtvis genom att skapa en vågledare med strukturella defekter eller dopa den med vissa andra element. Problemet är att de flesta sådana metoder har betydande negativa effekter på kiselns elektriska prestanda; arbeta endast vid mycket låga temperaturer; eller bara få kisel att reagera på ett mycket smalt band av infraröda våglängder.

Det nya systemet fungerar vid rumstemperatur och ger en bred infraröd respons, säger Buonassisi. Den införlivar atomer av guld i ytan av kiselets kristallstruktur på ett sätt som upprätthåller materialets ursprungliga struktur. Dessutom, det har fördelen att använda kisel, en vanlig halvledare som är relativt låg kostnad, lätt att bearbeta, och riklig.

Tillvägagångssättet fungerar genom att implantera guld i de översta hundra nanometern av kisel och sedan använda en laser för att smälta ytan i några nanosekunder. Kiselatomerna omkristalliseras till ett nästan perfekt gitter, och guldatomerna hinner inte fly innan de fastnar i gallret.

Faktiskt, materialet innehåller cirka 1 procent guld, en mängd mer än 100 gånger större än kiselns löslighetsgräns:Normalt, det är som om man lägger mer socker i en kopp kaffe än vad vätskan kan absorbera, leder till ansamling av socker i botten av koppen. Men under vissa förutsättningar, material kan överskrida sina normala löslighetsgränser, skapa vad som kallas en övermättad lösning. I detta fall, den nya bearbetningsmetoden ger ett lager av kisel övermättat med guldatomer.

"Det är fortfarande en kiselkristall, men den har en enorm mängd guld nära ytan, " säger Buonassisi. Medan andra har provat liknande metoder med andra material än guld, MIT-teamets arbete är den första tydliga demonstrationen av att tekniken kan fungera med guld som tillsatsmaterial, han säger.

"Det är en stor milstolpe, det visar att du kan göra detta, ", säger Mailoa. "Detta är särskilt attraktivt eftersom vi kan visa bredbandssvar i kisel vid rumstemperatur." Även om detta är ett tidigt skede, för vissa specialiserade ändamål – som ett system för att justera infraröd laserjustering – kan det vara användbart relativt snabbt.

Denna användning av guld var en överraskning:vanligtvis är guld oförenligt med allt som involverar kisel, säger Buonassisi. Även den minsta partikel av den kan förstöra användbarheten av ett kiselmikrochip - så mycket att i många chiptillverkningsanläggningar, att bära guldsmycken är strängt förbjudet. "Det är en av de farligaste föroreningarna i kisel, " han säger.

Men vid de mycket höga koncentrationer som uppnås med laserdopning, Buonassisi säger, guld kan ha en netto positiv optoelektronisk effekt när infrarött ljus lyser på enheten.

Även om detta tillvägagångssätt kan leda till infraröda bildsystem, Buonassisi säger, dess effektivitet är förmodligen för låg för användning i kiselsolceller. Dock, denna laserbearbetningsmetod kan vara tillämpbar på olika material som skulle vara användbara för att tillverka solceller, han säger.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.