2D diode voor opto-elektronica

Oostenrijkse onderzoekers hebben een speciaal type diode gebouwd, die is gemaakt van een kristallijn materiaal waarvan de lagen slechts drie atomen dik zijn. De superieure eigenschappen van zulke ultradunne kristallen openen ongekende mogelijkheden voor zonnecellen, fotodioden en led’s. Een artikel in Nature Nanotechnology beschrijft niet alleen de functionaliteit van de p-n diode van wolfraamdiselenide, maar geeft ook talrijke applicaties.

In elektronische apparaten zijn halfgeleiders nodig en die zijn gewoonlijk gemaakt van kristallijn silicium. Volgens de huidige stand van de techniek gaat het om driedimensionale kristallen. Maar deze zijn niet alleen inflexibel en zwaar, het is ook niet goedkoop om ze te maken. Alternatieve benaderingen – organische halfgeleiders en dunnefilm-technieken – leiden weer tot materialen van inferieure kwaliteit en duurzaamheid. Tweedimensionale kristallen – kristallijne materiaallagen met een dikte van slechts één of enkele atomen – bieden meer kans op succes. Ze kunnen goedkoop op grote schaal worden gemaakt, zijn flexibel en vertonen toch alle voordelen van kristallijne materialen. Een team van het fotonica-instituut van de technische universiteit in Wenen is er in geslaagd om een diode te maken met een pn-junctie van dergelijke 2D kristallen. Daarmee is de basis gelegd voor radicale veranderingen in de opto-elektronica.

Een kloof

Het uitgangsmateriaal voor dit team rond prof. Thomas Mueller was wolfraamdiselenide (WSe2). Dat heeft een belangrijk voordeel ten opzichte va grafeen – het bekendste kristallijne 2D-materiaal op dit moment. Prof. Mueller: "Wolfraamdiselenide heeft een bandkloof – dus elektronen hebben een bepaalde hoeveelheid energie nodig om over te steken naar de geleidingsband. In grafeen is dit basisvereiste voor veel elektronicacomponenten moeilijker te realiseren. "

Om WSe2 te verkrijgen als 2D-laag werd het mechanische afgepeld van driedimensionale kristallen. Daarmee maakte men lagen van 0,7 nanometer dikte. Prof. Mueller: "Daarna volgden we complexe procedures om te controleren of we inderdaad 2D-kristallen hadden, want alleen zulke dunne lagen hebben de juiste eigenschappen". Spectroscopische analyses, optische contrastmetingen en ‘atomic force’ microscopie toonden aan dat de onderzoekers tot het juiste resultaat waren gekomen.

De WSe2 monolaag werd tussen twee elektrodes geplaatst om de elektrische karakteristieken te meten. Dat bevestigde onomstotelijk het functioneren als een pn-diode: het was mogelijk om zowel positieve (p, gaten) als negatieve (m, elektronen) ladingen te injecteren, waarbij de stroom uitsluitend in één richting liep, zoals dat hoort bij dioden.

Dun succes

"WSe2 in kristallijne monolaagvorm is in theorie een ideaal uitgangsmateriaal voor pn-dioden en opto-elektronica. We hebben een rendement gemeten van 0,5% bij de conversie van licht naar elektrische energie", zegt Mueller, als hij de demonstratie van de fotovoltaïsche karakteristieken van 2D kristallijn materiaal toelicht. Door de hoge transparantie, 95 procent, kan het zelfs tegelijkertijd worden gebruikt als vensterglas en als zonnecel. Maar het is ook mogelijk om diverse ultradunne lagen van het materiaal op elkaar te stapelen en zo tot een rendement van 10% te komen – vanzelfsprekend ten koste van de transparantie.

Ook het functioneren als fotodiode werd aangetoond, waarbij een gevoeligheid werd gehaald die een ordegrootte hoger ligt dan die van grafeen.

Er kan gerust worden geconcludeerd dat de resultaten bewijzen dat WSe2 beschikt over superieure opto-elektronische eigenschappen die nieuwe mogelijkheden bieden voor zonnecellen, fotodioden eb led’s.

Solar-energy conversion and light emission in an atomic monolayer p-n diode, A. Pospischil, M. M. Furchi, en T. Mueller, , Nature Nanotechnology (2014), http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2014.14

Zie ook: 2D led is sterker en efficiënter