Dunne film zonnepanelen, de mobiele telefoon in je hand en de LED-lamp die je huis verlicht, zijn allemaal gemaakt met behulp van enkele van de zeldzaamste, duurste elementen gevonden op de planeet.

Een internationaal team met onderzoekers van de Universiteit van Michigan heeft een manier bedacht om dit soort opto-elektronische materialen goedkoper, meer overvloedige elementen. Deze verbindingen kunnen ook worden "afgestemd" om efficiënt elektrische energie te oogsten van de verschillende golflengten van licht in het zonnespectrum en om het kleurengamma te produceren dat we graag in verlichting gebruiken.

Alleen specifieke soorten verbindingen - een combinatie van twee of meer elementen - kunnen worden gebruikt om elektronische apparaten te maken die efficiënt licht uitstralen of elektriciteit verzamelen. Als je je nog herinnert tijdens je scheikundelessen op de lagere school, elke kolom op het periodiek systeem wordt beschouwd als een groep elementen.

Bijvoorbeeld, groep III omvat elementen zoals indium en gallium - beide relatief schaarse elementen die momenteel niettemin de basis vormen voor toepassingen die licht en elektriciteit combineren. Het probleem is, deze verbindingen bevatten vaak elementen die slechts op een paar locaties in de wereld voorkomen.

"In feite, we lopen het risico dat sommige van die elementen opraken omdat ze niet gemakkelijk te recyclen zijn en ze beperkt beschikbaar zijn, " zei natuurkundige Roy Clarke, die de UM-inspanning leidt. "Het is niet levensvatbaar voor technologie om te vertrouwen op iets dat waarschijnlijk op een schaal van 10 tot 20 jaar zal opraken."

Het onderzoeksteam vond een manier om twee gemeenschappelijke elementen uit kolommen tussen groep III te combineren om een ​​nieuwe verbinding te maken die bestaat uit elementen uit groep II, IV en V. Deze II-IV-V-verbinding kan worden gebruikt in plaats van de zeldzame elementen die doorgaans worden aangetroffen in III-V opto-elektronische materialen met vergelijkbare eigenschappen, behalve dat ze veel overvloediger en goedkoper zijn.

De nieuwe verbinding van zink, tin en stikstof kunnen zowel zonne-energie als licht oogsten, dus het zou zowel in dunnefilmzonnepanelen als in LED-lampen werken, schermen voor mobiele telefoons en televisieschermen.

Het gebruik van magnesium in plaats van zink breidt het bereik van de materialen verder uit tot blauw en ultraviolet licht. Beide verbindingen zijn ook "afstembaar" - dat wil zeggen, wanneer de onderzoekers kristallen van een van beide verbindingen laten groeien, de elementen kunnen zo worden geordend dat het materiaal gevoelig is voor bepaalde golflengten van licht.

Deze afstembaarheid is gewenst omdat het onderzoekers in staat stelt het materiaal aan te passen om te reageren op het breedste bereik van golflengten van licht. Dit is vooral belangrijk voor light-emitting diodes, zodat ontwerpers van apparaten de kleur van het geproduceerde licht kunnen selecteren.

"Als je een huis of kantoor verlicht, je wilt de warmte van het licht kunnen regelen, vaak het nabootsen van natuurlijk zonlicht, "zei Clarke. "Deze nieuwe II-IV-V-verbindingen zouden ons daartoe in staat stellen."

Afgestudeerde studenten Robert Makin, Krystal York en James Mathis kweekten de dunne films in het lab van Steve Durbin, een professor in elektrische en computertechniek aan de Western Michigan University.

Makin, die net zijn Ph.D. van WMU en is de hoofdauteur van de studie, gebruikte een techniek genaamd moleculaire bundelepitaxie (MBE) om de gewenste verbindingen onder de juiste omstandigheden te produceren om films te maken met een zorgvuldig gecontroleerde mate van atomaire ordening.

MBE legt elke atomaire laag van de verbinding op een systematische manier vast, zodat de onderzoekers de dunne laag konden bestuderen, of filmen, structuur zoals ze die aan het kweken waren. De volgende fase van het onderzoek, leidend tot de bouw van verschillende apparaatontwerpen, roept op tot gedetailleerde studies van de elektronische respons van deze materiaalfamilie en het testen van verschillende architecturen op nanoschaal die hun veelzijdigheid benutten.

Het onderzoeksteam omvat ook leden van de Université de Lorraine in Frankrijk en de Universiteit van Canterbury in Nieuw-Zeeland. Hun onderzoek is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .