De verbeterde kracht van de nieuwe meettechniek om materialen te karakteriseren op schalen die veel kleiner zijn dan welke huidige technologieën dan ook, zal de ontdekking en het onderzoek van 2-D, materialen op micro- en nanoschaal.

Door de halfgeleidereigenschappen van materialen in kleine volumes nauwkeurig te meten, kunnen ingenieurs bepalen voor welke toepassingen deze materialen in de toekomst geschikt kunnen zijn, vooral omdat de omvang van elektronische en optische apparaten steeds kleiner wordt.

Daniël Wasserman, een universitair hoofddocent bij de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de Cockrell School of Engineering, leidde het team dat het fysieke systeem bouwde, heeft de meettechniek ontwikkeld die in staat is om dit gevoeligheidsniveau te bereiken en heeft met succes zijn verbeterde prestaties aangetoond. Hun werk werd vandaag gerapporteerd in Natuurcommunicatie .

De ontwerpaanpak van het team was gericht op het ontwikkelen van de mogelijkheid om kwantitatieve feedback te geven over materiaalkwaliteit, met bijzondere toepassingen voor de ontwikkeling en fabricage van opto-elektronische apparaten. De gedemonstreerde methode is in staat om veel van de materialen te meten waarvan ingenieurs denken dat ze op een dag alomtegenwoordig zullen zijn voor opto-elektronische apparaten van de volgende generatie.

Opto-elektronica is de studie en toepassing van elektronische apparaten die bronnen, licht detecteren en regelen. Opto-elektronische apparaten die licht detecteren, bekend als fotodetectoren, materialen gebruiken die elektrische signalen van licht genereren. Fotodetectoren zijn te vinden in smartphonecamera's, zonnecellen en in de glasvezelcommunicatiesystemen die deel uitmaken van onze breedbandnetwerken. In een opto-elektronisch materiaal, de hoeveelheid tijd dat de elektronen "foto-geëxciteerd blijven, " of in staat om een ​​elektrisch signaal te produceren, is een betrouwbare indicator van de potentiële kwaliteit van dat materiaal voor fotodetectietoepassingen.

De huidige methode die wordt gebruikt voor het meten van de dragerdynamiek, of levens, van foto-geëxciteerde elektronen is kostbaar en complex en meet alleen grootschalige materiaalmonsters met beperkte nauwkeurigheid. Het UT-team besloot een andere methode te gebruiken om deze levensduur te kwantificeren door kleine hoeveelheden van de materialen in speciaal ontworpen microgolfresonatorcircuits te plaatsen. Monsters worden blootgesteld aan geconcentreerde microgolfvelden terwijl ze zich in de resonator bevinden. Wanneer het monster met licht wordt geraakt, het signaal van het microgolfcircuit verandert, en de verandering in het circuit kan worden uitgelezen op een standaard oscilloscoop. Het verval van het microgolfsignaal geeft de levensduur aan van foto-geëxciteerde ladingsdragers in kleine hoeveelheden van het materiaal dat in het circuit is geplaatst.

"Door het verval van het elektrische (microgolf)signaal te meten, kunnen we de levensduur van de drager met veel grotere nauwkeurigheid meten, "Zei Wasserman. "We hebben ontdekt dat het een eenvoudiger, goedkopere en effectievere methode dan de huidige benaderingen."

De levensduur van een drager is een kritische materiaalparameter die inzicht geeft in de algehele optische kwaliteit van een materiaal en tevens het toepassingsgebied bepaalt waarvoor een materiaal kan worden gebruikt wanneer het is geïntegreerd in de structuur van een fotodetectorapparaat. Bijvoorbeeld, materialen met een zeer lange levensduur van de drager kunnen van hoge optische kwaliteit zijn en daarom zeer gevoelig, maar is mogelijk niet handig voor toepassingen die hoge snelheden vereisen.

"Ondanks het belang van de levensduur van de drager, er zijn niet veel, indien van toepassing, contactloze opties voor het karakteriseren van materialen met een klein oppervlak, zoals infraroodpixels of 2D-materialen, die de afgelopen jaren aan populariteit en technologisch belang hebben gewonnen, ' zei Wasserman.

Een gebied dat zeker zal profiteren van de echte toepassingen van deze technologie is infrarooddetectie, een essentieel onderdeel van moleculaire detectie, thermische beeldvorming en bepaalde defensie- en veiligheidssystemen.

"Een beter begrip van infraroodmaterialen zou kunnen leiden tot innovaties in nachtkijkers of infraroodspectroscopie en detectiesystemen, ' zei Wasserman.

Hogesnelheidsdetectoren die op deze frequenties werken, zouden zelfs de ontwikkeling van communicatie in de vrije ruimte in het lange golflengte-infrarood mogelijk kunnen maken - een technologie die draadloze communicatie in moeilijke omstandigheden mogelijk maakt, in de ruimte of tussen gebouwen in stedelijke omgevingen.