Krympande fotodetektorer som den här, skapad och testad i laboratoriet för UW-Madison ingenjör professor Zhenqiang (Jack) Ma, bidra till att göra hemelektroniken mindre. Kredit:Stephanie Precourt/UW-Madison
I dagens allt kraftfullare elektronik, små material är ett måste eftersom tillverkare försöker öka prestandan utan att lägga till bulk.
Mindre är också bättre för optoelektroniska enheter - som kamerasensorer eller solceller - som samlar ljus och omvandlar det till elektrisk energi. Tror, till exempel, om att minska storleken och vikten på en serie solpaneler, producerar ett foto av högre kvalitet i svaga ljusförhållanden, eller till och med överföra data snabbare.
Dock, två stora utmaningar har stått i vägen:För det första, att krympa storleken på konventionellt använda "amorfa" tunnfilmsmaterial minskar också deras kvalitet. Och för det andra, när ultratunna material blir för tunna, de blir nästan genomskinliga och förlorar faktiskt en viss förmåga att samla eller absorbera ljus.
Nu, i en nanoskala fotodetektor som kombinerar en unik tillverkningsmetod och ljusfångande strukturer, ett team av ingenjörer från University of Wisconsin-Madison och University at Buffalo har övervunnit båda dessa hinder.
Forskarna – elektroteknikprofessorerna Zhenqiang (Jack) Ma och Zongfu Yu vid UW-Madison och Qiaoqiang Gan på Buffalo – beskrev sin enhet, en enkelkristallin germanium nanomembran fotodetektor på ett nanokavitetssubstrat, idag (7 juli, 2017) i tidskriften Vetenskapens framsteg .
UW-Madison el- och datateknikstudent Zhenyang Xia håller i en skål som innehåller fotodetektorprover. Provfärgerna varierar beroende på hur de är inställda för att absorbera en specifik ljusvåglängd. Kredit:Stephanie Precourt/UW-Madison
"Idén, i grund och botten, vill du använda ett mycket tunt material för att realisera samma funktion hos enheter där du behöver använda ett mycket tjockt material, " säger mamma.
Enheten består av nanokaviteter inklämda mellan ett toppskikt av ultratunt enkristallgermanium och ett reflekterande skikt av silver.
"På grund av nano-hålrummen, fotonerna "återvinns" så ljusabsorptionen ökar avsevärt – även i mycket tunna materiallager, " säger mamma.
Nano-hålrum består av en ordnad serie små, sammankopplade molekyler som i huvudsak reflekterar, eller cirkulera, ljus. Gan har redan visat att hans nano-kavitetsstrukturer ökar mängden ljus som tunna halvledande material som germanium kan absorbera.
Dock, de flesta tunna filmer från germanium börjar som germanium i sin amorfa form – vilket betyder att materialets atomarrangemang saknar det regelbundna, upprepad ordning av en kristall. Det betyder också att dess kvalitet inte är tillräcklig för allt mindre optoelektroniktillämpningar.
Inställd för att absorbera specifika ljusvåglängder, den nya fotodetektorn består av nanokaviteter inklämda mellan ett ultratunt enkristall germaniumskikt och reflekterande silver på botten. Zhenyang Xia
Det är där Ma:s expertis kommer in i bilden. En världsexpert på halvledarnanomembranenheter, Ma använde en revolutionerande membranöverföringsteknologi som gör att han enkelt kan integrera enkristallina halvledande material på ett substrat.
Resultatet är en mycket tunn, ändå väldigt effektiv, ljusabsorberande fotodetektor – en byggsten för framtiden för optoelektronik.
"Det är en möjliggörande teknik som låter dig titta på en mängd olika optoelektronik som kan gå till ännu mindre fotspår, mindre storlekar, " säger Yu, som utförde beräkningsanalys av detektorerna.
Medan forskarna demonstrerade sina framsteg med en germanium-halvledare, de kan också tillämpa sin metod på andra halvledare.
"Och viktigast av allt, genom att ställa in nano-kaviteten, vi kan kontrollera vilken våglängd vi faktiskt absorberar, " säger Gan. "Detta kommer att öppna vägen för att utveckla massor av olika optoelektroniska enheter."
