Lichtmomentum verandert zuiver silicium van een indirecte naar een directe bandgap-halfgeleider

Onderzoek onder leiding van UC Irvine toont aan dat de optische eigenschappen van materialen drastisch kunnen worden verbeterd. Niet door de materialen zelf te veranderen, maar door het licht nieuwe eigenschappen te geven.

De onderzoekers toonden aan dat ze door het momentum van binnenkomende fotonen te manipuleren, fundamenteel konden veranderen hoe licht interageert met materie. Een opvallend voorbeeld van hun bevindingen is dat de optische eigenschappen van puur silicium, een veelgebruikte en essentiële halfgeleider, met maar liefst vier ordes van grootte kunnen worden verbeterd.

Deze doorbraak belooft veel goeds voor de transformatie van de omzetting van zonne-energie en de opto-elektronica in het algemeen. studiedat als coverstory verscheen in de septemberuitgave van ACS Nanowerd uitgevoerd in samenwerking met de Federale Universiteit van Kazan en de Universiteit van Tel Aviv.

“In deze studie dagen we de traditionele overtuiging uit dat licht-materie-interacties uitsluitend door het materiaal worden bepaald,” aldus Dmitry Fishman, hoofdauteur en buitengewoon hoogleraar scheikunde. “Door licht nieuwe eigenschappen te geven, kunnen we fundamenteel veranderen hoe het met materie interageert.

“Als gevolg hiervan kunnen bestaande of optisch ‘ondergewaardeerde’ materialen mogelijkheden bereiken die we nooit voor mogelijk hadden gehouden. Het is alsof je met een toverstaf zwaait: in plaats van nieuwe materialen te ontwerpen, verbeteren we de eigenschappen van bestaande materialen door simpelweg het binnenkomende licht te wijzigen.”

“Dit fotonische fenomeen komt rechtstreeks voort uit het onzekerheidsprincipe van Heisenberg”, aldus Eric Potma, medeauteur en hoogleraar scheikunde. “Wanneer licht beperkt wordt tot schalen kleiner dan een paar nanometer, wordt de impulsverdeling breder. De toename van de impuls is zo substantieel dat deze die van vrije-ruimtefotonen met een factor duizend overtreft, waardoor deze vergelijkbaar is met de elektronenimpulsen in materialen.”

Ara Apkarian, een vooraanstaand hoogleraar scheikunde, breidde dit verder uit door te zeggen: “Dit fenomeen verandert fundamenteel hoe licht interageert met materie. Traditioneel leren schoolboeken ons over verticale optische overgangen, waarbij een materiaal licht absorbeert waarbij het foton alleen de energiestatus van het elektron verandert.

“Echter, momentum-versterkte fotonen kunnen zowel de energie- als momentumtoestanden van elektronen veranderen, waardoor nieuwe overgangspaden ontstaan ​​die we nog niet eerder hadden overwogen. Figuurlijk gesproken kunnen we ‘het leerboek kantelen’, aangezien deze fotonen diagonale overgangen mogelijk maken. Dit heeft een dramatische impact op het vermogen van een materiaal om licht te absorberen of uit te zenden.”

Fishman vervolgde: “Neem bijvoorbeeld silicium, het op één na meest voorkomende element in de aardkorst en de ruggengraat van moderne elektronica. Ondanks het wijdverbreide gebruik ervan, absorbeert silicium slecht licht, wat de efficiëntie ervan in apparaten als zonnepanelen al lang beperkt.

“Dit komt omdat silicium een ​​indirecte halfgeleider is, wat betekent dat het afhankelijk is van fononen (de roostervibraties) om elektronische overgangen mogelijk te maken. De fysica van lichtabsorptie in silicium is zodanig dat terwijl een foton de energiestatus van het elektron verandert, er tegelijkertijd een fonon nodig is om de impulsstatus van het elektron te veranderen.

“Aangezien de waarschijnlijkheid dat een foton, fonon en elektron op dezelfde plaats en tijd interacteren laag is, zijn de optische eigenschappen van silicium inherent zwak. Dit heeft een aanzienlijke uitdaging gevormd voor opto-elektronica en heeft zelfs de vooruitgang in zonne-energietechnologie vertraagd.”

Potma benadrukte: “Met de toenemende effecten van klimaatverandering is het urgenter dan ooit om over te stappen van fossiele brandstoffen naar hernieuwbare energie. Zonne-energie is de sleutel in deze transitie, maar de commerciële zonnecellen waarop we vertrouwen, schieten tekort.

“Het slechte vermogen van silicium om licht te absorberen betekent dat deze cellen dikke lagen nodig hebben – bijna 200 micrometer puur kristallijn materiaal – om effectief zonlicht op te vangen. Dit drijft niet alleen de productiekosten op, maar beperkt ook de efficiëntie vanwege de toegenomen dragerrecombinatie.

“Dunnefilmzonnecellen worden algemeen gezien als de oplossing voor beide uitdagingen. Hoewel alternatieve materialen zoals directe bandgap-halfgeleiders dunne zonnecellen hebben laten zien met efficiënties van meer dan 20%, zijn deze materialen vaak gevoelig voor snelle degradatie of hebben ze hoge productiekosten, waardoor ze op dit moment onpraktisch zijn.”

“Geleid door de belofte van Si-gebaseerde dunne-film fotovoltaïsche cellen, zoeken onderzoekers al meer dan vier decennia naar manieren om de lichtabsorptie in silicium te verbeteren,” voegde Apkarian toe. “Maar een echte doorbraak is ongrijpbaar gebleven.”

Fishman vervolgde: “Onze aanpak zet een radicaal andere stap voorwaarts. Door diagonale overgangen mogelijk te maken door middel van momentum-verbeterde fotonen, transformeren we zuiver silicium effectief van een indirecte naar een directe bandgap-halfgeleider, zonder het materiaal zelf te veranderen. Dit leidt tot een dramatische toename van het vermogen van silicium om licht te absorberen, met meerdere ordes van grootte.

“Dit betekent dat we de dikte van siliciumlagen met dezelfde factor kunnen verminderen, wat de deur opent naar ultradunne apparaten en zonnecellen die de huidige technologieën kunnen overtreffen tegen een fractie van de kosten. Bovendien, omdat het fenomeen geen veranderingen aan het materiaal vereist, kan de aanpak worden geïntegreerd in bestaande fabricagetechnologieën met weinig tot geen aanpassingen.”

Apkarian concludeerde: “We zijn nog maar net begonnen met het verkennen van het brede scala aan verschijnselen die verband houden met lichtbeperking op nanoschaal en daarbuiten. De betrokken fysica is rijk aan potentieel voor fundamentele en toegepaste ontdekkingen. De directe impact is echter al duidelijk.

“Het transformeren van silicium in een halfgeleider met directe bandgap door middel van een verbeterde fotonimpuls kan een revolutie teweegbrengen in energieomzetting en opto-elektronica.”

Medeauteurs van deze studie waren onder meer Jovany Merham, een junior specialist in scheikunde aan de UC Irvine, onderzoekers Sergey Kharintsev, Aleksey Noskov, Elina Battalova van de Federale Universiteit van Kazan en onderzoekers Liat Katrivas en Alexander Kotlyar van de Universiteit van Tel Aviv.