Om de gevoeligheid van lichtsensoren of de efficiëntie van zonnecellen te verbeteren, moet de lichtopvang worden verfijnd. KAUST-onderzoekers hebben complexe geometrie gebruikt om kleine schaalvormige bedekkingen te ontwikkelen die de efficiëntie en snelheid van fotodetectoren kunnen verhogen.

Veel ontwerpen met optische holtes zijn onderzocht om efficiëntie van licht te zoeken:ofwel door de elektromagnetische golf op te vangen of door licht te beperken tot het actieve gebied van het apparaat om de absorptie te vergroten. De meeste gebruiken eenvoudige bolletjes op micrometer- of nanometerschaal waarin het licht zich in cirkels aan de binnenkant van het oppervlak voortplant. bekend als een fluisterende galerijmodus.

Voormalig KAUST-wetenschapper Der-Hsien Lien, nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Berkeley, en zijn collega's uit China, Australië en de VS tonen aan dat een complexere geometrie bestaande uit convexe schelpen op nanoschaal de prestaties van fotodetectoren verbetert door de snelheid waarmee ze werken te verhogen en ze in staat te stellen licht uit alle richtingen te detecteren.

Oppervlakte-effecten spelen een belangrijke rol bij de werking van sommige apparaten, legt de hoofdonderzoeker van KAUST uit, Jr-Hau He. Nanomaterialen bieden een manier om de prestaties te verbeteren vanwege hun hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding. "Echter, hoewel nanomaterialen een grotere gevoeligheid hebben bij lichtdetectie in vergelijking met de bulk, de interacties tussen licht en materie zijn zwakker omdat ze dunner zijn, " beschrijft Hij. "Om dit te verbeteren, we ontwerpen structuren om licht op te vangen."

De onderzoekers maakten hun bolvormige multi-nanoschillen van de halfgeleider zinkoxide. Ze dompelden vaste koolstofbollen onder in een zinkoxidezoutoplossing, coating ze met het optische materiaal. Warmtebehandeling verwijderde de koolstofsjabloon en definieerde de geometrie van de resterende zinkoxide-nanostructuren, inclusief het aantal schelpen en de afstand ertussen. Zo waren Lien en collega's in staat om de interactie tussen buitenste en binnenste schalen te ontwerpen om een ​​​​fluistergalerijmodus en lichtabsorptie nabij het oppervlak van het nanomateriaal te induceren.

Het team verwerkte hun nanoshells in een fotodetector. De symmetrie van de bolvormige nanoschillen betekende dat de fluistergalerijmodus kon worden geactiveerd met weinig afhankelijkheid van de invalshoek of de polarisatie van het binnenkomende licht.

Een probleem bij eerdere fotodetectoren op basis van metaaloxide-nanodeeltjes is hun lage snelheid, waarbij de apparaten er honderden seconden over doen om te reageren. Met behulp van zinkoxide nanoshells, fotodetectoren waren in staat om in 0,8 milliseconden te reageren.

"Deze strategie kan worden toegepast op ander werk, zoals zonnecellen en watersplitsende apparaten, " zegt Hij. "In de toekomst, we zullen kijken naar verschillende materiaalsystemen en ontwerpstructuren die ook de apparaatprestaties in deze andere toepassingen verbeteren."