Ljus och elektricitet dansar en komplicerad tango i enheter som lysdioder, solceller och sensorer. En ny antireflexbeläggning utvecklad av ingenjörer vid University of Illinois i Urbana Champaign, i samarbete med forskare vid University of Massachusetts i Lowell, släpper igenom ljus utan att hämma strömflödet, ett steg som skulle kunna öka effektiviteten i sådana enheter.

Beläggningen är en speciellt graverad, nanostrukturerad tunn film som släpper igenom mer ljus än en plan yta, men ger också elektrisk tillgång till det underliggande materialet - en avgörande kombination för optoelektronik, enheter som omvandlar el till ljus eller vice versa. Forskarna, ledd av U. of I. professor i elektro- och datateknik Daniel Wasserman, publicerade sina resultat i tidskriften Avancerade material .

"Förmågan att förbättra både elektrisk och optisk tillgång till ett material är ett viktigt steg mot optoelektroniska enheter med högre effektivitet, sade Wasserman, en medlem av Micro and Nano Technology Laboratory i Illinois.

I gränssnittet mellan två material, såsom en halvledare och luft, något ljus reflekteras alltid, sa Wasserman. Detta begränsar effektiviteten hos optoelektroniska enheter. Om ljus sänds ut i en halvledare, en del av detta ljus kommer aldrig att försvinna från halvledarmaterialet. Alternativt för en sensor eller solcell, någon bråkdel av ljus kommer aldrig att nå detektorn för att samlas in och omvandlas till en elektrisk signal. Forskare använder en modell som kallas Fresnels ekvationer för att beskriva reflektion och transmission vid gränssnittet mellan två material.

"Det har länge varit känt att strukturering av ytan på ett material kan öka ljustransmissionen, " sa studiens medförfattare Viktor Podolskiy, en professor vid University of Massachusetts i Lowell. "Bland sådana strukturer, en av de mer intressanta liknar strukturer som finns i naturen, och kallas ett "fjärilsöga"-mönster:små nanopelare som kan "slå" Fresnel-ekvationerna vid vissa våglängder och vinklar."

Även om sådana mönstrade ytor hjälper till med ljustransmission, de hindrar elektrisk överföring, skapar en barriär mot det underliggande elektriska materialet.

"I de flesta fallen, tillsatsen av ett ledande material till ytan resulterar i absorption och reflektion, båda kommer att försämra enhetens prestanda, sa Wasserman.

Illinois- och Massachusetts-teamet använde en patenterad metod för metallassisterad kemisk etsning, MacEtch, utvecklad i Illinois av Xiuling Li, U. of I. professor i elektro- och datateknik och medförfattare till den nya uppsatsen. Forskarna använde MacEtch för att gravera in en mönstrad metallfilm i en halvledare för att skapa en rad små nanopelare som reser sig över metallfilmen. Kombinationen av dessa "mothöga" nanopelare och metallfilmen skapade ett delvis belagt material som överträffade den obehandlade halvledaren.

"Nanopelarna förbättrar den optiska transmissionen medan metallfilmen erbjuder elektrisk kontakt. Anmärkningsvärt nog, vi kan förbättra vår optiska överföring och elektrisk åtkomst samtidigt, sade Runyu Liu, en forskare vid Illinois och en av huvudförfattare till arbetet tillsammans med forskaren Xiang Zhao i Illinois och doktorandforskaren Christopher Roberts från Massachusetts.

Forskarna visade att deras teknik, vilket resulterar i att metall täcker ungefär hälften av ytan, kan överföra cirka 90 procent av ljuset till eller från ytan. För jämförelse, det nakna, en omönstrad yta utan metall kan bara överföra 70 procent av ljuset och har ingen elektrisk kontakt.

Forskarna visade också sin förmåga att justera materialets optiska egenskaper genom att justera metallfilmens dimensioner och hur djupt den etsar in i halvledaren.

"Vi letar efter att integrera dessa nanostrukturerade filmer med optoelektroniska enheter för att visa att vi samtidigt kan förbättra både de optiska och elektroniska egenskaperna hos enheter som arbetar vid våglängder från det synliga hela vägen till det avlägsna infraröda, sa Wasserman.