Licht en elektriciteit dansen een ingewikkelde tango in apparaten als leds, zonnecellen en sensoren. Een nieuwe antireflectiecoating ontwikkeld door ingenieurs van de Universiteit van Illinois in Urbana Champaign, in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Massachusetts in Lowell, laat licht door zonder de stroom van elektriciteit te belemmeren, een stap die de efficiëntie van dergelijke apparaten zou kunnen verhogen.

De coating is een speciaal gegraveerde, nanogestructureerde dunne film die meer licht doorlaat dan een plat oppervlak, maar biedt ook elektrische toegang tot het onderliggende materiaal - een cruciale combinatie voor opto-elektronica, apparaten die elektriciteit omzetten in licht of omgekeerd. De onderzoekers, onder leiding van U. of I. professor in elektrotechniek en computertechniek Daniel Wasserman, publiceerden hun bevindingen in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

"Het vermogen om zowel elektrische als optische toegang tot een materiaal te verbeteren, is een belangrijke stap in de richting van efficiëntere opto-elektronische apparaten, " zei Wasserman, een lid van het Micro- en Nanotechnologielaboratorium in Illinois.

Op het grensvlak tussen twee materialen, zoals een halfgeleider en lucht, wat licht wordt altijd weerkaatst, aldus Wasserman. Dit beperkt de efficiëntie van opto-elektronische apparaten. Als licht wordt uitgezonden in een halfgeleider, een fractie van dit licht zal nooit aan het halfgeleidermateriaal ontsnappen. Alternatief, voor een sensor of zonnecel, een fractie van het licht zal nooit de detector bereiken om te worden opgevangen en omgezet in een elektrisch signaal. Onderzoekers gebruiken een model genaamd Fresnel-vergelijkingen om de reflectie en transmissie op het grensvlak tussen twee materialen te beschrijven.

"Het is al lang bekend dat het structureren van het oppervlak van een materiaal de lichttransmissie kan verhogen, " zei co-auteur Viktor Podolskiy van de studie, een professor aan de Universiteit van Massachusetts in Lowell. "Onder dergelijke structuren, een van de interessantere is vergelijkbaar met structuren die in de natuur worden gevonden, en wordt een 'mottenoog'-patroon genoemd:kleine nanopilaren die de Fresnel-vergelijkingen kunnen 'verslaan' bij bepaalde golflengten en hoeken."

Hoewel dergelijke van een patroon voorziene oppervlakken helpen bij de lichttransmissie, ze belemmeren de elektrische transmissie, het creëren van een barrière voor het onderliggende elektrische materiaal.

"In de meeste gevallen, de toevoeging van een geleidend materiaal aan het oppervlak resulteert in absorptie en reflectie, beide zullen de prestaties van het apparaat verslechteren, ' zei Wasserman.

Het team uit Illinois en Massachusetts gebruikte een gepatenteerde methode van chemisch etsen met metaalondersteuning, MacEtch, ontwikkeld in Illinois door Xiuling Li, U. of I. hoogleraar elektrische en computertechniek en co-auteur van het nieuwe artikel. De onderzoekers gebruikten MacEtch om een ​​metaalfilm met een patroon in een halfgeleider te graveren om een ​​reeks kleine nanopilaren te creëren die boven de metaalfilm uitstaken. De combinatie van deze "mottenoog"-nanopilaren en de metaalfilm creëerde een gedeeltelijk gecoat materiaal dat beter presteerde dan de onbehandelde halfgeleider.

"De nanopilaren versterken de optische transmissie, terwijl de metaalfilm elektrisch contact biedt. we kunnen tegelijkertijd onze optische transmissie en elektrische toegang verbeteren, " zei Runyu Liu, een afgestudeerde onderzoeker in Illinois en een co-hoofdauteur van het werk samen met de afgestudeerde onderzoeker Xiang Zhao uit Illinois en de afgestudeerde onderzoeker Christopher Roberts uit Massachusetts.

De onderzoekers toonden aan dat hun techniek, waardoor metaal ongeveer de helft van het oppervlak bedekt, kan ongeveer 90 procent van het licht van of naar het oppervlak doorlaten. Ter vergelijking, de blote, een oppervlak zonder patroon zonder metaal kan slechts 70 procent van het licht doorlaten en heeft geen elektrisch contact.

De onderzoekers toonden ook hun vermogen om de optische eigenschappen van het materiaal af te stemmen door de afmetingen van de metaalfilm aan te passen en hoe diep deze in de halfgeleider etst.

"We willen deze nanogestructureerde films integreren met opto-elektronische apparaten om aan te tonen dat we tegelijkertijd zowel de optische als elektronische eigenschappen kunnen verbeteren van apparaten die werken op golflengten van het zichtbare tot het verre infrarood, ' zei Wasserman.