Gennembrud i udvikling af fotodetektorer præsenteret i Nature Communications

Gennembrud i udvikling af fotodetektorer præsenteret i Nature Communications

Ultrakompakte, hurtige og effektive optiske komponenter er potentialet i et nyt gennembrud i udviklingen af fotodetektorer og - på længere sigt - solceller. Bag gennembruddet står et internationalt forskningsteam med deltagelse af professor Thomas Garm Pedersen fra Aalborg Universitet. De nye resultater er netop blevet offentliggjort i det internationalt anerkendte tidsskrift Nature Communications.

Fotodetektorer og solceller omdanner lys til elektrisk strøm. Vejen til effektive komponenter består i, at cellen eller detektoren skal absorbere mest muligt lys samtidig med, at energitabene minimeres. Disse krav er desværre indbyrdes modstridende, så den maksimalt opnåelige virkningsgrad for normale solceller er ca. 33 %.

Traditionelt har både fotodetektorer og solceller baseret på to-dimensionale halvledere været fremstillet af silicium, som desværre ikke absorberer lys særlig godt og derfor kræver tykke lag. De nye komponenter, som for nylig er præsenteret i Nature Communications, erstatter det tykke siliciumlag med et kun 0.6 nanometer tykt lag af materialet wolfram-diselenid WSe2.

Dermed er materialeforbruget mindsket i ekstrem grad, men det betyder også, at en WSe2 fotodetektor kan blive meget hurtig, og derfor bruges til at måle korte lyspulser i lyslederkabler, som er nødvendige for blandt andet  hurtige internetforbindelser.  

Ny forståelse af fysikken i ultratynde halvledere

Når en halvleder absorberer lys, tilføres elektronerne i materialet ekstra energi. Det gør elektronerne i stand til at bevæge sig gennem materialet, hvilket fører til den elektriske strøm, som er essensen i både fotodetektorer og solceller. Lidt forsimplet kan man sige, at den energirige elektron bringes i en ny tilstand, samtidig med at den efterlader en tom plads svarende til dens tilstand før lysets påvirkning. Sådan en tom tilstand kaldes for et ”hul”, og det opfører sig som en positiv partikel, fordi det beskriver en manglende elektron. Her kommer så et alvorligt problem: det positive hul vil holde på den negativt ladede elektron og dermed forhindre den i at bidrage til den elektriske strøm. Dette problem er særlig stort i ultratynde halvledere, fordi elektroner og huller binder sig særlig stærkt til hinanden sammenlignet med f. eks. silicium.

Vores udfordring har været dels at forstå, hvorfor problemet er så stort i tynde lag, og dels at finde en løsning på problemet. Det viser sig, at man ved at designe komponenter med et kraftigt indbygget elektrisk felt effektivt kan ”vriste” elektroner og huller fra hinanden. Som en sidegevinst kan man tænde og slukke for komponenten via det indbyggede elektriske felt. Endelig viser det sig, at detektoren er så hurtig, at man kan detektere lyspulser på under en tiendedel af et nanosekund, fortæller Thomas Garm Pedersen.  

Gennem computermodeller for effekten af elektriske felter på elektroner og huller i de ultratynde lag har forskerne påvist, at apparaterne opfører sig som håbet. Det har også åbnet muligheder for at designe endnu mere effektive og hurtige komponenter ved at bruge modellerne til optimering. I fremtiden kan man f.eks. tænke sig ultrakompakte CCD chips til digitalkameraer og solceller baseret på de nye ideer. En spændende retning handler også om, hvorvidt det er muligt at få materialerne til selv at generere det elektriske felt, sådan at en ydre spændingskilde bliver overflødig. 

Vigtigt med endnu en artikel i Nature Communications

Artiklen, der er bragt i Nature Communications, er resultatet af en kombination af, på den ene side, fremstilling af materialer og komponenter og, på den anden side, simulering og forståelse af funktion og egenskaber. Samarbejdet viser en meget overbevisende overensstemmelse mellem eksperimenter og simuleringer. Dette er baggrunden for, at artiklen har fundet vej til Nature Communications.

Vores simuleringer kombinerer kompetencer opnået i forskningscentrene CNG og QUSCOPE. CNG har skabt viden om ultratynde halvledere og QUSCOPE har bidraget med beskrivelsen af dissociation af elektron-hul par, som egentlig er ”lånt” fra atomfysik. Artiklen er derfor en vigtig milepæl for synergien mellem de to centre, siger Thomas Garm Pedersen.

Bag artiklen, der er bragt i Nature Communications, står forskere fra Japan, Spanien, England og Danmark.

Læs hele artiklen i Nature Communications her.