Onderzoekers van Tohoku University hebben een techniek ontwikkeld om met behulp van een holle bol de elektronische en optische eigenschappen van grote halfgeleidende kristallen te meten. De aanpak, gepubliceerd in het tijdschrift Technische Natuurkunde Express , verbetert de huidige fotoluminescentiespectroscopietechnieken en kan leiden tot energiebesparingen voor massaproducenten, en dus consumenten, van stroomapparaten.

Halfgeleidende kristallen worden gebruikt om elektronische apparaten zoals microprocessorchips en transistors te maken. Fabrikanten moeten kristaldefecten kunnen detecteren en hun energieconversie-efficiëntie kunnen testen. Een manier om dit te doen is door hun 'interne kwantumefficiëntie' te meten, of hun vermogen om fotonen te genereren uit elektronen die worden geëxciteerd door een elektrische stroom of een excitatielaser. De momenteel beschikbare methoden beperken de steekproefomvang die tegelijk kan worden getest.

Geavanceerde materiaalwetenschapper Kazunobu Kojima van Tohoku University en collega's bedachten een aangepaste benadering van fotoluminescentiespectroscopie waarmee grotere monsters kunnen worden getest.

Standaard fotoluminescentiespectroscopie detecteert de relatieve hoeveelheid licht die wordt uitgezonden door een halfgeleiderkristal wanneer er een excitatielaser op wordt beschenen. Door deze excitatie- en emissieprocessen gaat lichtenergie verloren, dus hebben wetenschappers geëxperimenteerd met fotoluminescentiespectroscopie die een 'integrerende bol' gebruikt om het verlies van fotonen te minimaliseren, de elementaire lichtdeeltjes.

Integrerende bollen verzamelen zowel het excitatielicht als het licht dat wordt uitgezonden door een monster dat erin ligt, waar het licht diffuus naar binnen wordt gereflecteerd totdat het gelijkmatig wordt verspreid. De uniforme lichtverdeling verbetert de nauwkeurigheid en herhaalbaarheid van interne kwantumefficiëntietests. Maar dit betekent dat de grootte van het te testen kristal uiteindelijk wordt beperkt door de grootte van de bol.

Kojima en collega's ontdekten dat ze nog steeds de interne kwantumefficiëntie van een kristal konden testen wanneer het direct buiten de bol werd geplaatst. waardoor grotere steekproeven kunnen worden gebruikt.

Ze voerden hun tests uit op een halfgeleidend kristal genaamd galliumnitride, die veel wordt gebruikt in LED's en naar verwachting zal worden gebruikt in elektronische apparaten vanwege zijn superieure eigenschappen.

"Deze 'omnidirectionele fotoluminescentie'-spectroscopie kan worden gebruikt om de kwaliteit van grote kristallen of halfgeleiderwafels te evalueren, die essentieel zijn voor de massaproductie van elektrische apparaten, " zegt Kojima, eraan toevoegend dat dit zou kunnen leiden tot energiebesparing en lagere productiekosten.