In de steeds krachtiger wordende elektronica van vandaag, kleine materialen zijn een must omdat fabrikanten de prestaties willen verbeteren zonder bulk toe te voegen.

Kleiner is ook beter voor opto-elektronische apparaten, zoals camerasensoren of zonnecellen, die licht opvangen en omzetten in elektrische energie. Denken, bijvoorbeeld, over het verminderen van de grootte en het gewicht van een reeks zonnepanelen, het produceren van een foto van hogere kwaliteit bij weinig licht, of zelfs sneller gegevens verzenden.

Echter, twee grote uitdagingen hebben in de weg gestaan:ten eerste, het verkleinen van de grootte van conventioneel gebruikte "amorfe" dunnefilmmaterialen vermindert ook hun kwaliteit. En ten tweede, wanneer ultradunne materialen te dun worden, ze worden bijna transparant en verliezen eigenlijk enig vermogen om licht te verzamelen of te absorberen.

Nutsvoorzieningen, in een fotodetector op nanoschaal die een unieke fabricagemethode en lichtvangende structuren combineert, een team van ingenieurs van de Universiteit van Wisconsin-Madison en de Universiteit van Buffalo heeft beide obstakels overwonnen.

De onderzoekers - professoren elektrotechniek Zhenqiang (Jack) Ma en Zongfu Yu in UW-Madison en Qiaoqiang Gan in Buffalo - beschreven hun apparaat:een monokristallijne germanium nanomembraan fotodetector op een nano-holtesubstraat, vandaag (7 juli 2017) in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

"Het idee, in principe, wil je een heel dun materiaal gebruiken om dezelfde functie te realiseren als apparaten waarin je een heel dik materiaal moet gebruiken, " zegt mam.

Het apparaat bestaat uit nanoholtes die zijn ingeklemd tussen een toplaag van ultradun eenkristal germanium en een reflecterende laag zilver.

"Vanwege de nanoholtes, de fotonen worden 'gerecycleerd', zodat de lichtabsorptie aanzienlijk wordt verhoogd - zelfs in zeer dunne materiaallagen, " zegt mam.

Nanoholtes bestaan ​​uit een geordende reeks kleine, onderling verbonden moleculen die in wezen reflecteren, of circuleren, licht. Gan heeft al aangetoond dat zijn nano-holtestructuren de hoeveelheid licht vergroten die dunne halfgeleidende materialen zoals germanium kunnen absorberen.

Echter, de meeste germanium dunne films beginnen als germanium in zijn amorfe vorm - wat betekent dat de atomaire rangschikking van het materiaal de reguliere, herhalende volgorde van een kristal. Dat betekent ook dat de kwaliteit ervan niet voldoende is voor steeds kleinere opto-elektronicatoepassingen.

Dat is waar Ma's expertise in het spel komt. Een wereldexpert in halfgeleider nanomembraanapparaten, Ma gebruikte een revolutionaire membraanoverdrachtstechnologie waarmee hij eenvoudig monokristallijne halfgeleidende materialen op een substraat kan integreren.

Het resultaat is een zeer dunne, maar zeer effectief, lichtabsorberende fotodetector - een bouwsteen voor de toekomst van opto-elektronica.

"Het is een ondersteunende technologie waarmee je naar een grote verscheidenheid aan opto-elektronica kunt kijken die zelfs nog kleinere footprints kan hebben, kleinere maten, " zegt Yu, die computationele analyse van de detectoren heeft uitgevoerd.

Terwijl de onderzoekers hun vooruitgang demonstreerden met behulp van een germaniumhalfgeleider, ze kunnen hun methode ook toepassen op andere halfgeleiders.

"En belangrijk, door de nano-holte af te stemmen, we kunnen bepalen welke golflengte we daadwerkelijk absorberen, ", zegt Gan. "Dit zal de weg openen om veel verschillende opto-elektronische apparaten te ontwikkelen."