För att förbättra ljuskännarnas känslighet eller effektiviteten hos solceller krävs finjustering av ljusinsamling. KAUST-forskare har använt komplex geometri för att utveckla små skalformade beläggningar som kan öka effektiviteten och hastigheten för fotodetektorer.

Många konstruktioner med optisk kavitet har undersökts för att söka effektivitet av ljus:antingen genom att fånga den elektromagnetiska vågen eller genom att begränsa ljuset till enhetens aktiva område för att öka absorptionen. De flesta använder enkla mikrometer- eller nanometerskalor där ljuset sprider sig runt i cirklar på insidan av ytan, känd som ett viskande galleriläge.

Tidigare KAUST-forskaren Der-Hsien Lien, nu en postdoktor vid University of California, Berkeley, och hans kollegor från Kina, Australien och USA visar att en mer komplex geometri som består av konvexa nanoskala skal förbättrar fotodetektornas prestanda genom att öka hastigheten med vilken de fungerar och göra det möjligt för dem att detektera ljus från alla håll.

Yteffekter spelar en viktig roll i driften av vissa enheter, förklarar KAUST huvudutredare, Jr-Hau He. Nanomaterial erbjuder ett sätt att förbättra prestanda på grund av deras höga yt-volym-förhållande. "Dock, även om nanomaterial har större känslighet för ljusdetektering jämfört med massan, ljus -materia -interaktionerna är svagare eftersom de är tunnare, "beskriver Han." För att förbättra detta, vi konstruerar strukturer för att fånga ljus. "

Forskarna gjorde sina sfäriska multi-nanoshells från halvledaren zinkoxid. De sänkte fasta kolkulor i en zinkoxidsaltlösning, belägga dem med det optiska materialet. Värmebehandling tog bort kolmallen och definierade geometrin för de återstående zinkoxid-nanostrukturerna, inklusive antalet skal och avståndet mellan dem. Således kunde Lien och kollegor konstruera interaktionen mellan yttre och inre skal för att framkalla ett viskande gallerimod och ljusabsorption nära ytan av nanomaterialet.

Teamet införlivade sina nanoshells i en fotodetektor. Symmetrin hos de sfäriska nanoskalorna innebar att det viskande galleriläget kunde upphetsas med litet beroende av infallsvinkeln eller polariseringen av det inkommande ljuset.

Ett problem med tidigare fotodetektorer baserade på metalloxid-nanopartiklar är deras långsamma hastighet, med enheter som tar så lång tid som flera hundra sekunder att svara. Använda zinkoxid-nanoskal, fotodetektorer kunde svara på 0,8 millisekunder.

"Denna strategi kan tillämpas på annat arbete, såsom solceller och vattensplittande anordningar, "säger han." I framtiden, Vi kommer att titta på olika materialsystem och designstrukturer som också förbättrar enhetens prestanda i dessa andra applikationer. "