Toekomstige ultradunne zonnecellen en lichtbronnen kunnen bedekt zijn met kleine greppels, nadat A * STAR-onderzoekers hadden ontdekt dat dergelijke structuren de efficiëntie met vier ordes van grootte verbeteren.

Joel Yang van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering maakte deel uit van een internationale samenwerking die een 20, 000-voudige toename van de fotoluminescentie van een één atoom dikke laag wolfraamdiselenide, door het te monteren op een gouden oppervlak met een patroon van smalle greppels.

Wolfraamdiselenide is veelbelovend voor ultragevoelige, ultradunne lichtsensoren, zonnecellen en lichtgevende dioden, vanwege zijn vermogen om licht te absorberen en opnieuw uit te zenden op een andere frequentie. Dit effect treedt echter alleen op voor een enkele atoomlaag, dus de efficiëntie is erg laag - het meeste licht gaat er recht doorheen.

Yang's inspiratie was om de laag op een gouden oppervlak te monteren en de lichtenergie op het grensvlak van de twee lagen op te vangen in de vorm van oppervlakteplasmonen. Om de absorptie van licht te verbeteren, ze voegden loopgraven toe aan de goudlaag onder het wolfraamdiselenide.

"Het was zeer verrassend dat zo'n grote verbetering mogelijk kon zijn, " zegt Yang.

De sleutel was het afstemmen van de greppelgrootte op de energie, zodat de plasmonen in de greppels werden opgesloten door een resonerend proces dat bekend staat als het Purcell-effect.

Het team scheen 633 nanometer licht op het monster en mat de output op 750 nanometer. Ze vonden 12 nm brede sleuven in een rasterpatroon met een tussenruimte van 200 nanometer die de hoogste fotoluminescentie gaven - 20, 000 keer meer dan een kale laag wolfraamdiselenide.

Om de structuur te creëren, het team heeft een zeer plat siliciumkristal geëtst om een ​​raster van richels te creëren. Vervolgens brachten ze een laag goud aan op het silicium en pelden het vervolgens af om geulen te onthullen waar de richels waren geweest.

"De smalheid van de sleuven en de vlakheid van de metaalfilm is belangrijk, " zegt Yang. "Elke ruwheid zal een nadelige wisselwerking hebben met het tweedimensionale materiaal."

Het goud werd ondergedompeld in water en een film van wolfraamdiselenide dreef op het wateroppervlak. Het goud werd toen langzaam uit de oplossing opgetild, tevoorschijn komen met de dunne laag erop.

De eenvoudige structuur heeft veel voordelen, zegt Yang. "Het hele oppervlak wordt blootgesteld aan de gebruiker, wat het gemakkelijk maakt voor verder onderzoek, zoals het functionaliseren van het oppervlak met chemicaliën of het toevoegen van elektroden".

Het is ook gemakkelijker te vervaardigen dan andere plasmonische apparaten, die een tweede laag boven de dunne laag nodig hebben, een boterham maken.