17 feb. 1999
2 minuten
Onderzoekers van de University of Illinois hebben een opto-elektronisch actief 3D fotonisch kristal getoond. Het kristal heeft zowel elektronische als optische eigenschappen. De vinding kan nieuwe deuren openen voor leds, zonnecellen, lasers, metamaterialen en meer.
"We hebben een manier ontdekt om de driedimensionale structuur van een halfgeleidermateriaal aan te passen om zo nieuwe optische eigenschappen toe te voegen en tegelijk de elektrische eigenschappen te behouden", aldus professor Paul Braun van de Amerikaanse universiteit .
Het onderzoeksteam zal de innovatie publiceren in het blad Nature Materials.
Veelzijdige fotonische kristallen
Fotonische kristallen zijn materialen die licht kunnen manipuleren op onverwachte wijze. Dit dankzij hun unieke fysieke structuur. Fotonische kristallen kunnen vreemde fenomenen veroorzaken en het gedrag van fotonen beïnvloeden op een manier waarop traditionele optische materialen en apparaten dat niet kunnen. Toepassingsgebieden die worden onderzocht zijn lasers, zonne-energie, leds, metamaterialen en meer.
Voorgaande pogingen om driedimensionale fotonische kristallen te maken resulteerden in apparaten die enkel optisch actief zijn. Anders gezegd: die apparaten konden licht buigen, maar waren niet elektronisch actief. Ze konden geen elektriciteit in licht omzetten en vice versa. Het kristal van het team uit Illinois heeft wèl beide eigenschappen.
3D fotonisch kristal maken
Om een 3D fotonisch kristal te maken dat zowel elektronisch als optisch actief is, begonnen de onderzoekers met een basismodel van kleine dicht op elkaar gepakte bolletjes. Daarna vulden ze de gaatjes tussen de bolletjes op met galliumarsenide (GaAs); een bekende halfgeleider.
De galliumarsenide groeit als één enkel kristal van onder naar boven, een process genaamd epitaxie. Epitaxie wordt veel gebruikt in de industrie om platte tweedimensionale lagen van enkel-kristallige halfgeleiders op een substraat aan te brengen. Braun’s groep heeft een manier ontwikkeld om dit toe te passen in ingewikkelde driedimensionale structuren.
"De grootste ontdekking was het groeien van een enkelkristallige halfgeleider in zo’n complex basismodel", aldus professor Braun. "Galliumarsenide wil van beneden naar boven groeien op het substraat, maar botst tegen de wanden van het model op en zoekt een andere weg. Het lijkt een beetje alsof we het model vullen met water. Zolang we galliumarsenide laten groeien, blijft het model gevuld worden net zolang tot het bovenste oppervlak bereikt wordt."
Als het basismodel gevuld is, verwijderen de onderzoekers de bolletjes, waardoor een complexe poreuze 3D-structuur van enkelkristallige halfgeleider overblijft. Ze coaten vervolgens de hele structuur met een hele dunne laag van een halfgeleider met een bredere bandkloof, om prestaties te verbeteren en voorkomt recombinatie.
Proof-of-concept
Om hun techniek te testen heeft de onderzoeksgroep een 3D fotonische kristal-led gemaakt. De led toont aan dat het concept functionele apparaten kan opleveren. Door het aanpassen van de structuur of toepassen van andere halfgeleiders, kunnen onderzoekers de reactie op zonlicht of specifieke golflengten verbeteren.
Erik Nelson, een voormalig student in het lab van professor Braun: "Vanaf dit moment is het enkel een kwestie van het aanpassen van de samenstelling van het apparaat om de eigenschappen te krijgen die je wilt." Het opent een nieuw onderzoeksgebied voor extreem efficiënte of vernieuwende energie-apparaten.
Bron: PhysOrg.com
Anderen lazen ook
