Wist je dat kristallen de basis vormen voor de doordringende ijsblauwe schittering van autokoplampen en fundamenteel kunnen zijn voor de toekomst in zonne-energietechnologie?

Kristallen vormen het hart van diodes. Niet het soort dat je in kwarts zou kunnen vinden, natuurlijk gevormd, maar vervaardigd om legeringen te vormen, zoals indium gallium nitride of InGaN. Deze legering vormt het lichtemitterende gebied van LED's, voor verlichting in het zichtbare bereik, en van laserdiodes (LD's) in het blauw-UV-bereik.

Onderzoek naar het maken van betere kristallen, met hoge kristallijne kwaliteit, lichtemissie-efficiëntie en helderheid, is ook de kern van studies die worden gedaan aan de Arizona State University door onderzoekswetenschapper Alec Fischer en promovendus Yong Wei in de groep van professor Fernando Ponce in de afdeling Natuurkunde.

In een recent gepubliceerd artikel in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven , de ASU-groep, in samenwerking met een wetenschappelijk team onder leiding van professor Alan Doolittle van het Georgia Institute of Technology, heeft zojuist het fundamentele aspect onthuld van een nieuwe benadering voor het kweken van InGaN-kristallen voor diodes, die belooft fotovoltaïsche zonneceltechnologie te verplaatsen naar recordrendementen.

De InGaN-kristallen worden als lagen in een sandwichachtige opstelling op saffiersubstraten gekweekt. Typisch, onderzoekers hebben ontdekt dat de atomaire scheiding van de lagen varieert; een aandoening die kan leiden tot hoge niveaus van spanning, onderbrekingen in de groei, en schommelingen in de chemische samenstelling van de legering.

"In staat zijn om de belasting te verlichten en de uniformiteit in de samenstelling van InGaN te vergroten, is zeer wenselijk, " zegt Ponce, "maar moeilijk te bereiken. De groei van deze lagen is vergelijkbaar met het soepel in elkaar passen van twee honingraten met verschillende celgroottes, waar het verschil in grootte een periodieke opstelling van de cellen verstoort."

Zoals uiteengezet in hun publicatie, de auteurs ontwikkelden een aanpak waarbij pulsen van moleculen werden geïntroduceerd om de gewenste legeringssamenstelling te bereiken. De methode, ontwikkeld door Doolittle, wordt metaal-gemoduleerde epitaxie genoemd. "Deze techniek maakt een atomaire laag-voor-laaggroei van het materiaal mogelijk, ' zegt Ponce.

Analyse van de atomaire rangschikking en de helderheid op nanoschaalniveau werd uitgevoerd door Fischer, de hoofdauteur van de studie, en Wei. Hun resultaten toonden aan dat de films gekweekt met de epitaxietechniek bijna ideale eigenschappen hadden en onthulden dat de onverwachte resultaten kwamen van de spanningsrelaxatie bij de eerste atomaire laag van kristalgroei.

"De groep van Doolittle was in staat om een ​​uiteindelijk kristal te assembleren dat meer uniform is en waarvan de roosterstructuren overeenkomen... wat resulteert in een film die lijkt op een perfect kristal, " zegt Ponce. "De helderheid was ook als die van een perfect kristal. Iets wat niemand in ons vakgebied voor mogelijk hield."

De eliminatie door het ASU- en Georgia Tech-team van deze twee schijnbaar onoverkomelijke defecten (niet-uniforme samenstelling en niet-overeenkomende roosteruitlijning) betekent uiteindelijk dat LED's en fotovoltaïsche producten op zonne-energie nu kunnen worden ontwikkeld met veel hogere, efficiënte prestaties.

"Hoewel we nog ver verwijderd zijn van record-zonnecellen, deze doorbraak zou een onmiddellijke en blijvende impact kunnen hebben op lichtemitterende apparaten en zou mogelijk de op één na meest voorkomende halfgeleiderfamilie kunnen worden, III-nitriden, een echte speler op het gebied van zonnecellen, ", zegt Doolittle. Het team van Doolittle aan de Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering omvatte ook Michael Moseley en Brendan Gunning. Er is een patent aangevraagd voor de nieuwe technologie.