Los investigadores han probado una variedad de métodos para desarrollar detectores que respondan a una amplia gama de luz infrarroja, que podría formar matrices de imágenes para sistemas de seguridad. o células solares que aprovechan una gama más amplia de energía solar, pero todos estos métodos se han enfrentado a limitaciones. Ahora, un nuevo sistema desarrollado por investigadores de cinco instituciones, incluido el MIT, podría eliminar muchas de esas limitaciones.

El nuevo enfoque se describe en un artículo publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza por el estudiante graduado del MIT Jonathan Mailoa, profesor asociado de ingeniería mecánica Tonio Buonassisi, y otras 11 personas.

Silicio, que forma la base de la mayoría de la tecnología de semiconductores y células solares, normalmente deja pasar la mayor parte de la luz infrarroja. Esto se debe a que la banda prohibida del material, una propiedad electrónica fundamental, requiere un nivel de energía mayor que el que transportan los fotones de luz infrarroja. "El silicio suele tener muy poca interacción con la luz infrarroja, "Dice Buonassisi.

Varios tratamientos del silicio pueden mitigar este comportamiento, generalmente creando una guía de ondas con defectos estructurales o dopandola con ciertos otros elementos. El problema es que la mayoría de estos métodos tienen efectos negativos importantes sobre el rendimiento eléctrico del silicio; solo trabaje a muy bajas temperaturas; o solo hacer que el silicio responda a una banda muy estrecha de longitudes de onda infrarrojas.

El nuevo sistema funciona a temperatura ambiente y proporciona una amplia respuesta infrarroja, Dice Buonassisi. Incorpora átomos de oro en la superficie de la estructura cristalina del silicio de una manera que mantiene la estructura original del material. Adicionalmente, tiene la ventaja de utilizar silicio, un semiconductor común que es de costo relativamente bajo, fácil de procesar, y abundante.

El enfoque funciona implantando oro en los cien nanómetros superiores de silicio y luego usando un láser para derretir la superficie durante unos pocos nanosegundos. Los átomos de silicio se recristalizan en una red casi perfecta, y los átomos de oro no tienen tiempo de escapar antes de quedar atrapados en la red.

De hecho, el material contiene aproximadamente un 1 por ciento de oro, una cantidad más de 100 veces mayor que el límite de solubilidad del silicio:Normalmente, esto es como si se pusiera más azúcar en una taza de café de la que el líquido podría absorber, lo que lleva a la acumulación de azúcar en el fondo de la taza. Pero bajo ciertas condiciones, los materiales pueden exceder sus límites normales de solubilidad, creando lo que se llama una solución sobresaturada. En este caso, el nuevo método de procesamiento produce una capa de silicio sobresaturada con átomos de oro.

"Sigue siendo un cristal de silicio, pero tiene una enorme cantidad de oro cerca de la superficie, ", Dice Buonassisi. Mientras que otros han probado métodos similares con materiales distintos al oro, El trabajo del equipo del MIT es la primera demostración clara de que la técnica puede funcionar con oro como material añadido, él dice.

"Es un gran hito, muestra que puedes hacer esto, "Esto es especialmente atractivo porque podemos mostrar una respuesta infrarroja de banda ancha en silicio a temperatura ambiente", dice Mailoa. para algunos fines especializados, como un sistema para ajustar la alineación del láser infrarrojo, puede resultar útil con relativa rapidez.

Este uso del oro fue una sorpresa:por lo general, el oro es incompatible con cualquier cosa que involucre silicio, Dice Buonassisi. Incluso la partícula más pequeña puede destruir la utilidad de un microchip de silicio, tanto es así que en muchas instalaciones de fabricación de chips, el uso de joyas de oro está estrictamente prohibido. "Es una de las impurezas más peligrosas del silicio, " él dice.

Pero a las altísimas concentraciones alcanzadas por el dopaje con láser, Buonassisi dice:el oro puede tener un impacto optoelectrónico neto positivo cuando la luz infrarroja incide en el dispositivo.

Si bien este enfoque podría conducir a sistemas de imágenes infrarrojas, Buonassisi dice:su eficiencia es probablemente demasiado baja para su uso en células solares de silicio. Sin embargo, este método de procesamiento láser podría ser aplicable a diferentes materiales que serían útiles para fabricar células solares, él dice.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.