Stress en spanning, op de juiste manier toegepast, kan soms verbluffende resultaten opleveren.

Dat is wat onderzoekers, geleid door een team van de afdeling Elektrotechniek en Computerwetenschappen van UC Berkeley, ontdekt over een opkomend halfgeleidermateriaal - zwarte fosfor (BP) - dat wordt gebruikt om twee soorten opto-elektronische apparaten te maken:lichtemitterende diodes (LED's) en fotodetectoren.

Onder mechanische belasting, BP kan worden geïnduceerd om infrarood (IR) licht uit te zenden of te detecteren in een reeks van gewenste golflengten - 2,3 tot 5,5 micrometer, die de korte tot middengolf IR overspant - en om dit omkeerbaar te doen bij kamertemperatuur, volgens studie auteurs Ali Javey, Lam Research Distinguished Chair in Semiconductor Processing en hoogleraar elektrotechniek, en postdoctoraal onderzoeker Hyungjin Kim. Javey is ook een senior wetenschapper aan de faculteit van het Lawrence Berkeley National Laboratory.

Hun bevindingen zijn niet alleen belangrijk voor het vermogen om deze golflengten te bereiken, Javey en Kim zeiden:maar om dit afstembaar en in één apparaat te doen. De huidige technologie vereist meerdere omvangrijke apparaten en verschillende halfgeleidermaterialen om vergelijkbare resultaten te bereiken.

Ze beschreven hun bevindingen in Natuur .

Javey en Kim zeiden dat de mogelijkheid om een ​​breder bereik van het IR-spectrum te gebruiken, afstembaar binnen één apparaat, zou kunnen helpen voldoen aan de groeiende vraag naar toepassingen in optische communicatie, thermische beeldvorming, Gezondheidsbewaking, spectroscopie, chemische detectie en meer. Om deze flexibiliteit aan te tonen, de onderzoekers gebruikten een van hun nieuwe apparaten om meerdere gassen te detecteren.

Het door Berkeley geleide team ontdekte dat het gebruik van dunne lagen BP in opto-elektronische apparaten en deze aan verschillende mate van spanning te onderwerpen, resulteert in omkeerbaar afstembare uitgangsgolflengten over een onverwacht groot bereik. De uitgangsgolflengte van BP en andere halfgeleidermaterialen is een eigenschap die bekend staat als bandgap.

Het spectrale bereik waarover een opto-elektronisch apparaat kan werken, wordt grotendeels bepaald door de bandgap van het halfgeleidermateriaal. Er kunnen verschillende benaderingen worden gebruikt om de gewenste werkingsgolflengte voor een bepaalde toepassing te bereiken. Bijvoorbeeld, legeringen - materialen van verschillende samenstelling - en spanning kunnen worden gebruikt om de bandgap af te stemmen. Hoewel deze benaderingen inderdaad effectief zijn, ze resulteren in apparaten met vaste werkende golflengten.

"In ons werk we kunnen de bandgap van de zwarte fosfor actief veranderen, zodat een enkele fotodetector of LED zijn werkende golflengten binnenin kan veranderen, ongeveer, het bereik van twee tot vijf micrometer, ' zei Kim.

"We kunnen zo vaak heen en weer gaan als we willen, " Kim zei over de omkeerbaar afstembare golflengten van op BP gebaseerde apparaten. Ze maken gebruik van de "magische" eigenschappen van BP, hij zei, specifiek, de bandgap verandert onder spanning, die veel groter is dan die waargenomen met conventionele halfgeleidermaterialen.

"Er zit innovatie in het apparaat zelf, "Javey zei, "maar het materiaal dat we gebruiken, zwarte fosfor, heeft ook inherent unieke eigenschappen [bandgap en gevoeligheid voor spanning], en we combineren die twee belangrijke kenmerken."

Zwarte fosfor is een tweedimensionaal materiaal zoals grafeen. In een proces dat exfoliatie wordt genoemd, onderzoekers gebruiken plakband om nanometerdunne lagen van het materiaal op te tillen, die vervolgens wordt overgebracht naar een flexibel polymeersubstraat, in dit geval polyethyleentereftalaatglycol (PETG).

"Omdat het mechanisch flexibel is, we kunnen het buigen tot een gewenste straal en gecontroleerd spanning uitoefenen op BP, " zei Kim. Dat wil zeggen, buigen wordt een effectieve knop om de BP-bandgap te moduleren.

Inderdaad, vanwege de gebobbelde roosterstructuur, Kim zei, BP vertoont unieke stamafhankelijke eigenschappen die, naast bandgap, omvatten afstembare van der Waals-interactie en piëzo-elektriciteit. Spanning kan op een omkeerbare manier op BP worden toegepast vanwege de dunne membraanaard, hij zei.

In één applicatie, de onderzoekers gebruikten een techniek die niet-dispersieve IR-gasdetectie wordt genoemd. Omdat elk gas zijn eigen absorptieband heeft, dat wil zeggen, de hoeveelheid licht die het absorbeert bij een specifieke golflengte - een afstembare IR-LED met voldoende golflengtebereik kan detecteren, bijvoorbeeld, koolstofdioxide uitgestoten door menselijke ademhaling. Dat komt omdat het gas licht absorbeert op ongeveer 4,3 micrometer, binnen het apparaatbereik van 2,3 tot 5,5 micrometer. Andere gassen die met afstembare BP-leds kunnen worden gedetecteerd, zijn methaan en water.

Een toepassing voor BP-fotodetectoren zou thermische beeldvorming kunnen zijn. Het zou kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, in nachtkijkers om elke exotherme warmtebron zoals menselijke lichamen te detecteren. Dergelijke afstembare fotodetectoren zouden in staat zijn tot selectieve thermische beeldvorming over een reeks IR-golflengten.

Vanuit het oogpunt van materialen, er is veel interesse in het identificeren van nieuwe halfgeleiders die efficiënter zijn in dit golflengtebereik, zei Javey. "Toen begonnen we naar zwarte fosfor te kijken omdat het al bekend was dat het een bandgap had die overlapt met de middengolflengte IR. Van daaruit hebben we gekeken hoe we efficiënte apparaten zoals LED's en fotodetectoren kunnen bouwen met behulp van dit materiaal. Maar wat is nieuw hier is afstembaarheid - dat je het apparaat actief kunt afstemmen met spanning over een groot golflengtebereik."

Vooruit gaan, Javey zei, "Ik denk dat dit apparaatconcept kan worden toegepast op andere delen van het spectrum, misschien zelfs apparaten maken die in het zichtbare regime zouden kunnen werken. Dat zou nieuwe soorten displays mogelijk kunnen maken, bijvoorbeeld, als deze concepten en materialen verwerkt kunnen worden in een maakbaar, schaalbare manier, met geminiaturiseerde elektromechanische apparaten."