Фотодетекторы почти повсеместно используются в фотоаппаратах, сотовых телефонах, пультах дистанционного управления, солнечных батареях и даже в панелях космических кораблей. Эти крошечные устройства размером всего в микроны преобразуют свет в электроны, последующее движение которых генерирует электронный сигнал.
Повышение эффективности преобразования света в электричество было одной из основных целей в конструкции фотодетекторов с момента их изобретения.Исследователи лаборатории уложили два атомных слоя диселенида вольфрама (WSe2) на один атомный слой диселенида молибдена (MoSe2).
Такое наложение приводит к свойствам, сильно отличающимся от свойств родительских слоев, что позволяет настраивать электронную инженерию в минимально возможном масштабе.Внутри атомов электроны находятся в состояниях, определяющих их энергетический уровень.
Когда электроны переходят из одного состояния в другое, они либо приобретают, либо теряют энергию. Выше определенного уровня энергии электроны могут свободно перемещаться.
Электрон, переходящий в состояние с более низкой энергией, может передать достаточно энергии, чтобы выбить другой электрон.Физики из Калифорнийского университета в Риверсайде заметили, что когда фотон ударяется о слой WSe2, он выбивает электрон, позволяя ему проходить через слой WSe2. На стыке WSe2 и MoSe2 электрон падает на MoSe2. Выделяемая энергия затем катапультирует второй электрон из WSe2 в MoSe2, где оба электрона получают возможность двигаться и генерировать электричество.
«Мы наблюдаем появление нового явления», — сказал Натаниэль М. Габор, доцент кафедры физики, возглавлявший исследовательскую группу. «Обычно, когда электрон перескакивает между энергетическими состояниями, он тратит энергию впустую. В нашем эксперименте излишняя энергия вместо этого создает еще один электрон, удваивая его эффективность.
Понимание таких процессов вместе с улучшенными конструкциями, выходящими за пределы теоретических пределов эффективности, будет иметь широкое значение при разработке новых сверхэффективных фотоэлектрических устройств ».Результаты исследований публикуются сегодня в журнале Nature Nanotechnology.«Электрон в WSe2, который первоначально возбуждается фотоном, имеет низкую энергию по сравнению с WSe2», — сказала Фатима Барати, аспирант лаборатории оптоэлектроники квантовых материалов Габора и соавтор исследовательской работы. «При приложении небольшого электрического поля он переходит в MoSe2, где его энергия относительно этого нового материала высока.
Это означает, что теперь он может терять энергию. Эта энергия рассеивается в виде кинетической энергии, которая вытесняет дополнительный электрон из WSe2. "В существующих моделях солнечных панелей один фотон может генерировать не более одного электрона. В прототипе, разработанном исследователями, один фотон может генерировать два или более электронов с помощью процесса, называемого размножением электронов.
Исследователи объяснили, что в сверхмалых материалах электроны ведут себя как волны. Хотя это не интуитивно понятно в больших масштабах, процесс генерации двух электронов из одного фотона вполне допустим в чрезвычайно малых масштабах длины.
Когда материал, такой как WSe2 или MoSe2, истончается до размеров, близких к длине волны электрона, свойства материала начинают изменяться необъяснимым, непредсказуемым и загадочным образом.«Это похоже на волну, застрявшую между смыкающимися стенами», — сказал Габор. «Квантово-механически это меняет все масштабы.
Комбинация двух разных сверхмалых материалов порождает совершенно новый процесс умножения. Два плюс два равняются пяти».«В идеале в солнечную батарею мы хотели бы, чтобы свет, входящий в нее, превращался в несколько электронов», — сказал Макс Гроссникль, также аспирант лаборатории Габора и соавтор исследовательской работы. «Наша статья показывает, что это возможно».
Барати отметил, что больше электронов может быть произведено также за счет увеличения температуры устройства.«Мы наблюдали удвоение количества электронов в нашем устройстве при 340 градусах Кельвина (150 F), что немного выше комнатной температуры», — сказала она. «Немногие материалы демонстрируют это явление при комнатной температуре.
Если мы увеличим эту температуру, мы увидим более чем удвоение количества электронов».Для размножения электронов в обычных фотоэлементах обычно требуется приложенное напряжение 10-100 вольт. Чтобы наблюдать удвоение количества электронов, исследователи использовали всего 1,2 вольта, типичное напряжение, обеспечиваемое батареей AA.«Такая работа при низком напряжении и, как следствие, низкое энергопотребление может означать революционное направление в разработке материалов для фотодетекторов и солнечных элементов», — сказал Гроссникл.
Он объяснил, что эффективность фотоэлектрических устройств определяется простым соревнованием: световая энергия преобразуется либо в отходящее тепло, либо в полезную электронную энергию.«Ультратонкие материалы могут склонить чашу весов в этом соревновании, одновременно ограничивая тепловыделение и увеличивая мощность электроники», — сказал он.
Габор объяснил, что квантово-механическое явление, которое его команда наблюдала в своем устройстве, похоже на то, что происходит, когда космические лучи, вступая в контакт с атмосферой Земли с высокой кинетической энергией, производят массив новых частиц.Он предположил, что выводы команды могут найти применение непредвиденным образом.
«Эти материалы, будучи толщиной всего в один атом, почти прозрачны», — сказал он. «Вполне возможно, что однажды мы сможем увидеть их включенными в краску или в солнечные элементы, встроенные в окна. Поскольку эти материалы являются гибкими, мы можем представить их применение в носимых фотоэлектрических элементах, где материалы будут интегрированы в ткань. Мы могли бы, скажем, , костюм, который генерирует энергию — технология сбора энергии, которая была бы практически невидимой ».видео