Onderzoekers hebben een nieuw type hoogrenderende fotodetector ontwikkeld, geïnspireerd op de fotosynthetische complexen die planten gebruiken om zonlicht om te zetten in energie. Fotodetectoren worden gebruikt in camera's, optische communicatiesystemen en vele andere toepassingen om fotonen om te zetten in elektrische signalen.

"Onze apparaten combineren langeafstandstransport van optische energie met langeafstandsconversie naar elektrische stroom", zegt onderzoeksteamleider Stephen Forrest van de Universiteit van Michigan. "Deze opstelling, analoog aan wat wordt gezien in planten, heeft het potentieel om de energieopwekkingsefficiëntie van zonnecellen aanzienlijk te verbeteren, die apparaten gebruiken die vergelijkbaar zijn met fotodetectoren om zonlicht om te zetten in energie."

De fotosynthetische complexen die in veel planten worden aangetroffen, bestaan ​​uit een groot lichtabsorberend gebied dat moleculaire aangeslagen toestandsenergie levert aan een reactiecentrum waar de energie wordt omgezet in een lading. Hoewel deze opstelling zeer efficiënt is, vereist het nabootsen ervan energietransport over een lange afstand in een organisch materiaal, wat moeilijk te bereiken is gebleken.

Om deze schijnbaar onmogelijke taak te volbrengen, gebruikten de onderzoekers unieke quasideeltjes die bekend staan ​​als polaritonen. In Optica tijdschrift, Forrest en collega's rapporteren hun nieuwe detector, die polaritons genereert in een organische dunne film.

"Een polariton combineert een moleculaire aangeslagen toestand met een foton, waardoor het zowel lichtachtige als materieachtige eigenschappen krijgt die energietransport en -omzetting op lange afstand mogelijk maken", zei Forrest. "Deze fotodetector is een van de eerste demonstraties van een praktisch opto-elektronisch apparaat op basis van polaritonen."

Een richtsnoer nemen van planten

De onderzoekers hadden de nieuwe detector enkele jaren geleden voor ogen terwijl ze op zoek waren naar manieren om betere zonnecellen te maken. "Na het observeren van polaritonvoortplanting over lange afstanden in eenvoudige structuren zoals een spiegel met een organische film op het oppervlak, dachten we dat het mogelijk zou zijn om een ​​fotosynthetische analoog te maken met behulp van polaritons," zei Forrest. "Het was echter best moeilijk om erachter te komen hoe je zo'n apparaat moest bouwen."

Om een ​​fotodetector te maken op basis van polaritons, moesten de onderzoekers structuren ontwerpen die de voortplanting van polaritonen over lange afstanden in een dunne organische halfgeleiderfilm mogelijk maken. Ze moesten ook uitzoeken hoe ze een eenvoudige organische detector in het voortplantingsgebied konden integreren op een manier die een efficiënte polariton-naar-lading-conversie zou opleveren.

"We hebben geleend van structuren die we eerder hebben ontworpen om efficiënte organische fotovoltaïsche cellen te maken", zegt Forrest. "Het was een beetje toevallig dat deze structuren een efficiënte oogst van de energie van polaritons mogelijk maakten. Polaritonen bevatten nog steeds een aantal mysteries, en dit is een nieuwe manier om ze te gebruiken, dus we wisten niet zeker of het zou werken."

Vermeerdering over lange afstand

De onderzoekers analyseerden hun nieuwe apparaat met behulp van een speciale Fourier-vlakmicroscoop om de voortplanting van polariton te observeren. Vanwege de ongebruikelijke structuur van de detector moesten ze een manier ontwikkelen om de resultaten nauwkeurig te kwantificeren en deze in de context van conventionele detectoren te plaatsen die goed bekend zijn bij de optiekgemeenschap.

De resultaten toonden aan dat de nieuwe fotodetector efficiënter is in het omzetten van licht in elektrische stroom dan een vergelijkbare siliciumfotodiode. Het kan ook licht opvangen van ongeveer 0,01 mm ² en conversie van licht naar elektrische stroom over uitzonderlijk lange afstanden van 0,1 nm. Deze afstand is drie orden groter dan de energieoverdrachtsafstand van fotosynthetische complexen.

Tot nu toe zijn de meeste polaritonen waargenomen als stationaire quasideeltjes in gesloten holtes met sterk reflecterende spiegels aan zowel de boven- als onderkant. Het nieuwe werk onthulde belangrijke inzichten in hoe polaritons zich voortplanten in open structuren met een enkele spiegel. Het nieuwe apparaat maakte ook de eerste metingen mogelijk van hoe efficiënt invallende fotonen kunnen worden omgezet in polaritonen.

"Ons werk laat zien dat polaritons niet alleen interessante wetenschap zijn, maar ook een goudmijn van nog te ontdekken toepassingen", zegt Forrest. "Apparaten zoals de onze bieden een ongebruikelijke en mogelijk unieke methode om de fundamentele eigenschappen van polaritons te begrijpen en om nog denkbare manieren mogelijk te maken om licht en lading te manipuleren." + Verder verkennen

Met licht doordrenkte deeltjes gaan de afstand in organische halfgeleiders