Onderzoekers hebben verschillende methoden uitgeprobeerd om detectoren te ontwikkelen die reageren op een breed scala aan infraroodlicht, dat beeldarrays zou kunnen vormen voor beveiligingssystemen, of zonnecellen die een breder scala aan energie van zonlicht benutten, maar deze methoden hebben allemaal te maken gehad met beperkingen. Nutsvoorzieningen, een nieuw systeem ontwikkeld door onderzoekers van vijf instellingen, inclusief MIT, zou veel van die beperkingen kunnen wegnemen.

De nieuwe aanpak wordt beschreven in een paper gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie door MIT-afgestudeerde student Jonathan Mailoa, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde Tonio Buonassisi, en 11 anderen.

Silicium, die de basis vormt van de meeste halfgeleider- en zonneceltechnologie, laat normaal gesproken het meeste infraroodlicht door. Dit komt omdat de bandgap van het materiaal - een fundamentele elektronische eigenschap - een energieniveau vereist dat groter is dan dat van fotonen van infrarood licht. "Silicium heeft meestal heel weinig interactie met infrarood licht, ' zegt Buonassisi.

Verschillende behandelingen van silicium kunnen dit gedrag verminderen, meestal door een golfgeleider te maken met structurele defecten of door deze te dopen met bepaalde andere elementen. Het probleem is dat de meeste van dergelijke methoden significante negatieve effecten hebben op de elektrische prestaties van silicium; werk alleen bij zeer lage temperaturen; of alleen silicium te laten reageren op een zeer smalle band van infrarode golflengten.

Het nieuwe systeem werkt bij kamertemperatuur en biedt een brede infraroodrespons, zegt Buonassisi. Het bevat atomen van goud in het oppervlak van de kristalstructuur van silicium op een manier die de oorspronkelijke structuur van het materiaal behoudt. Aanvullend, het heeft het voordeel van het gebruik van silicium, een gewone halfgeleider die relatief goedkoop is, gemakkelijk te verwerken, en overvloedig.

De aanpak werkt door goud in de bovenste honderd nanometer van silicium te implanteren en vervolgens een laser te gebruiken om het oppervlak een paar nanoseconden te smelten. De siliciumatomen herkristalliseren tot een bijna perfect rooster, en de goudatomen hebben geen tijd om te ontsnappen voordat ze vast komen te zitten in het rooster.

In feite, het materiaal bevat ongeveer 1 procent goud, een hoeveelheid die meer dan 100 keer groter is dan de oplosbaarheidslimiet van silicium:normaal gesproken dit is alsof je meer suiker in een kopje koffie doet dan de vloeistof kan opnemen, wat leidt tot ophoping van suiker op de bodem van de beker. Maar onder bepaalde voorwaarden, materialen kunnen hun normale oplosbaarheidslimieten overschrijden, het creëren van wat een oververzadigde oplossing wordt genoemd. In dit geval, de nieuwe verwerkingsmethode levert een laag silicium op dat oververzadigd is met goudatomen.

"Het is nog steeds een siliciumkristal, maar het heeft een enorme hoeveelheid goud aan de oppervlakte, " zegt Buonassisi. Terwijl anderen soortgelijke methoden hebben geprobeerd met andere materialen dan goud, het werk van het MIT-team is de eerste duidelijke demonstratie dat de techniek kan werken met goud als toegevoegd materiaal, hij zegt.

"Het is een grote mijlpaal, het laat zien dat je dit kunt, Mailoa zegt. "Dit is vooral aantrekkelijk omdat we bij kamertemperatuur breedband-infraroodrespons in silicium kunnen laten zien." Hoewel dit werk in een vroeg stadium is, voor sommige gespecialiseerde doeleinden, zoals een systeem voor het aanpassen van de uitlijning van infraroodlasers, kan het relatief snel nuttig zijn.

Dit gebruik van goud was een verrassing:meestal is goud onverenigbaar met alles wat met silicium te maken heeft, zegt Buonassisi. Zelfs het kleinste deeltje ervan kan het nut van een siliciummicrochip vernietigen - zozeer zelfs dat in veel chipfabrieken, het dragen van gouden sieraden is ten strengste verboden. "Het is een van de gevaarlijkste onzuiverheden in silicium, " hij zegt.

Maar bij de zeer hoge concentraties die worden bereikt door laserdoping, Buonassisi zegt, goud kan een netto positieve opto-elektronische impact hebben wanneer infrarood licht op het apparaat schijnt.

Hoewel deze benadering kan leiden tot infraroodbeeldvormingssystemen, Buonassisi zegt, het rendement is waarschijnlijk te laag voor gebruik in siliciumzonnecellen. Echter, deze laserverwerkingsmethode kan van toepassing zijn op verschillende materialen die nuttig zouden zijn voor het maken van zonnecellen, hij zegt.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.