I samband med olyckliga besök hos tandläkaren, "hålighet" betyder något annat inom den gren av fysiken som kallas optik.

Enkelt uttryckt, en optisk kavitet är ett arrangemang av speglar som tillåter ljusstrålar att cirkulera i slutna banor. Dessa håligheter hjälper oss att bygga saker som lasrar och optiska fibrer som används för kommunikation.

Nu, ett internationellt forskarlag förde konceptet vidare genom att utveckla en optisk "nanokavitet" som ökar mängden ljus som ultratunna halvledare absorberar. Framsteg kan leda till bland annat, kraftfullare fotovoltaiska celler och snabbare videokameror; det kan också vara användbart för att dela vatten med energi från ljus, som skulle kunna bidra till utvecklingen av vätgasbränsle.

Laget, består av lärare och studenter från universitetet i Buffalo och två kinesiska universitet, presenterade sina resultat 24 februari i tidskriften Avancerade material .

"Vi skrapar bara på ytan, men det förberedande arbetet som vi har gjort är mycket lovande, sa Qiaoqiang Gan, PhD, huvudförfattare och UB biträdande professor i elektroteknik. "Detta framsteg kan leda till stora genombrott inom energiskörd och omvandling, säkerhet och andra områden som kommer att gynna mänskligheten."

Halvledare utgör grunden för modern elektronik. De fungerar genom att manipulera energiflödet i elektroniska enheter. Det vanligaste halvledarmaterialet, kisel, används för att tillverka mikrochips för mobiltelefoner, datorer och andra elektroniska apparater.

Industrin har hållit jämna steg med efterfrågan på mindre, tunnare och kraftfullare optoelektroniska enheter, till viss del, genom att krympa storleken på halvledarna som används i dessa enheter.

Problemet, dock, är att dessa ultratunna halvledare inte absorberar ljus lika bra som konventionella bulkhalvledare. Därför, det finns en inneboende kompromiss mellan de ultratunna halvledarnas optiska absorptionskapacitet och deras förmåga att generera elektricitet.

Som ett resultat, forskare över hela världen försöker hitta sätt att öka mängden ljus som ultratunna halvledare kan absorbera. Forskare från Harvard University hade nyligen olika grader av framgång genom att kombinera tunna filmer av germanium, en annan vanlig halvledare, på en guldyta.

"Medan resultaten är imponerande, guld är en av de dyraste metallerna, sa Suhua Jiang, docent i materialvetenskap vid Fudan University i Kina. "Vi illustrerade en nanokavitet, tillverkad av aluminium eller andra vitaktiga metaller och legeringar som är mycket billigare, kan användas för att öka mängden ljus som halvledande material absorberar."

Nanokavitet består av, från botten till toppen:aluminium, aluminiumoxid och germanium. I experimentet, ljus passerade genom germanium, som är 1,5 till 3 nanometer tjock, och cirkulerade i en sluten bana genom aluminiumoxiden och aluminiumet.

Absorptionshastigheten nådde en topp på 90 procent, med germanium som absorberar ungefär 80 procent av det blågröna ljuset och aluminium som absorberar resten. Detta är idealiskt, sa Haomin Song, Doktorand i elektroteknik vid UB och tidningens första författare, eftersom huvuddelen av ljuset stannar inom det halvledande materialet.

"Nanokavitet har många potentiella tillämpningar. Till exempel, det kan hjälpa till att öka mängden ljus som solceller kan skörda; det kan implanteras på kamerasensorer, till exempel de som används för säkerhetsändamål som kräver snabb respons. Den har också egenskaper som kan vara användbara för fotokatalytisk vattenklyvning, som kan hjälpa till att göra vätgasbränsle till verklighet, " sa Song.

Innan något av det händer, dock, mer forskning måste göras, speciellt när det handlar om hur halvledaren skulle förvandla ljuset till kraft i motsats till värme.

Gans forskargrupp samarbetar med Alexander Cartwright, PhD, UB professor i elektroteknik och vice vd för forskning och ekonomisk utveckling, och Mark Swihart, PhD, UB professor i kemi och biologisk teknik, att utveckla ultratunna energiskördande enheter.

Gan arbetar också med Hao Zeng, PhD, UB docent i fysik, för att studera dess effekt på fotokatalys.