En la búsqueda de recolectar luz para la electrónica, el punto focal es el momento en que los fotones - partículas de luz - encuentran electrones, esas partículas subatómicas cargadas negativamente que forman la base de nuestras vidas electrónicas modernas. Si las condiciones son correctas cuando los electronesy los fotones se encuentran, puede ocurrir un intercambio de energía. Maximizar esa transferencia de energía es la clave para hacer posible la energía eficiente capturada por la luz.
"Este es el ideal, pero encontrar una alta eficiencia es muy difícil", dijo el estudiante de doctorado de física de la Universidad de Washington, Sanfeng Wu. "Los investigadores han estado buscando materiales que les permitan hacer esto; una forma es hacer que cada fotón absorbidotransfiere toda su energía a muchos electrones, en lugar de un solo electrón en los dispositivos tradicionales "
En los métodos tradicionales de recolección de luz, la energía de un fotón solo excita un electrón o ninguno dependiendo de la brecha de energía del absorbedor, transfiriendo solo una pequeña porción de energía de la luz a la electricidad. La energía restante se pierde como calor. Pero en un papel liberado13 de mayo en Avances científicos , Wu, el profesor asociado de la UW Xiaodong Xu y sus colegas de otras cuatro instituciones describen un enfoque prometedor para convencer a los fotones para que estimulen múltiples electrones. Su método explota algunas sorprendentes interacciones de nivel cuántico para dar a un fotón múltiples potenciales socios electrónicos. Wu y Xu,quien tiene citas en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UW y en el Departamento de Física, hizo este sorprendente descubrimiento utilizando grafeno.
"El grafeno es una sustancia con muchas propiedades interesantes", dijo Wu, autor principal del artículo. "Para nuestros propósitos, muestra una interacción muy eficiente con la luz".
El grafeno es una red hexagonal bidimensional de átomos de carbono unidos entre sí, y los electrones pueden moverse fácilmente dentro del grafeno. Los investigadores tomaron una sola capa de grafeno, solo una lámina de átomos de carbono de espesor, y la intercalaronentre dos capas delgadas de un material llamado nitruro de boro.
"El nitruro de boro tiene una estructura reticular que es muy similar al grafeno, pero tiene propiedades químicas muy diferentes", dijo Wu. "Los electrones no fluyen fácilmente dentro del nitruro de boro; esencialmente actúa como un aislante".
Xu y Wu descubrieron que cuando el enrejado de la capa de grafeno se alinea con las capas de nitruro de boro, se crea un tipo de "superredes" con propiedades que permiten la optoelectrónica eficiente que los investigadores habían buscado. Estas propiedades dependen de la mecánica cuántica, lo que ocasionalmente es desconcertantereglas que gobiernan las interacciones entre todas las partículas de materia conocidas. Wu y Xu detectaron regiones cuánticas únicas dentro de la super retícula conocida como singularidades de Van Hove.
"Estas son regiones de gran densidad de electrones de estados, y no se accedió a ellas ni en el grafeno ni en el nitruro de boro solo", dijo Wu. "Solo creamos estas regiones de alta densidad de electrones de manera accesible cuando ambas capas estaban alineadasjuntos."
Cuando Xu y Wu dirigieron fotones energéticos hacia la superrejilla, descubrieron que esas singularidades de Van Hove eran sitios donde un fotón energizado podía transferir su energía a múltiples electrones que posteriormente se recogen mediante electrodos, no solo un electrón o ninguno con el restoenergía perdida como calor. Según una estimación conservadora, Xu y Wu informan que dentro de esta superred un fotón podría "lanzar" hasta cinco electrones para que fluyan como corriente.
Con el descubrimiento de recolectar múltiples electrones después de la absorción de un fotón, los investigadores pueden crear dispositivos altamente eficientes que podrían recolectar luz con una gran ganancia de energía. El trabajo futuro necesitaría descubrir cómo organizar los electrones excitados en corriente eléctricapara optimizar la eficiencia de conversión de energía y eliminar algunas de las propiedades más engorrosas de su superrejilla, como la necesidad de un campo magnético. Pero creen que este proceso eficiente entre fotones y electrones representa un gran progreso.
"El grafeno es un tigre con un gran potencial para la optoelectrónica, pero encerrado en una jaula", dijo Wu. "Las singularidades en esta superredes son la clave para desbloquear esa jaula y liberar el potencial del grafeno para la aplicación de cosecha ligera".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Washington . Original escrito por James Urton. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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