Las futuras células solares ultradelgadas y fuentes de luz podrían tener sus superficies cubiertas por pequeñas trincheras, después de que los investigadores de A * STAR descubrieron que tales estructuras mejoran la eficiencia en cuatro órdenes de magnitud.

Joel Yang del Instituto A * STAR de Investigación e Ingeniería de Materiales fue parte de una colaboración internacional que logró un 20, 000 veces mayor en la fotoluminiscencia de una capa de diselenuro de tungsteno de un átomo de espesor, montándolo sobre una superficie dorada con dibujos de trincheras estrechas.

El diselenuro de tungsteno es prometedor para ultrasensibles, sensores de luz ultradelgados, células solares y diodos emisores de luz, debido a su capacidad para absorber luz y volver a emitir a una frecuencia diferente. Sin embargo, este efecto solo ocurre para una sola capa de átomo, por lo que su eficiencia es muy baja:la mayor parte de la luz pasa directamente.

La inspiración de Yang fue montar la capa sobre una superficie dorada y atrapar la energía luminosa en la interfaz de las dos capas en forma de plasmones superficiales. Para mejorar la absorción de luz, agregaron trincheras a la capa de oro debajo del diselenuro de tungsteno.

"Fue muy sorprendente que pudiera ser posible una mejora tan grande, "dice Yang.

La clave fue hacer coincidir el tamaño de la trinchera con la energía para que los plasmones quedaran atrapados en las trincheras a través de un proceso resonante conocido como efecto Purcell.

El equipo iluminó la muestra con luz de 633 nanómetros y midió la salida a 750 nanómetros. Encontraron trincheras de 12 nm de ancho en un patrón de cuadrícula con un espaciado de 200 nanómetros que dieron la fotoluminiscencia más alta:20, 000 veces más que una capa desnuda de diselenuro de tungsteno.

Para crear la estructura, el equipo grabó un cristal de silicio muy plano para crear una cuadrícula de crestas. A continuación, depositaron una capa de oro sobre el silicio y luego la despegaron para revelar trincheras donde habían estado las crestas.

"La estrechez de las trincheras y la planitud de la película de metal es importante, "Dice Yang." Cualquier aspereza interactuará perjudicialmente con el material bidimensional ".

El oro se sumergió en agua y una película de diselenuro de tungsteno flotó en la superficie del agua. Luego, el oro se extrajo lentamente de la solución, emergiendo con la capa delgada en la parte superior.

La estructura simple tiene muchas ventajas, dice Yang. "Toda la superficie está expuesta al usuario, lo que facilita la investigación adicional, como funcionalizar la superficie con productos químicos o añadir electrodos ".

También es más fácil de fabricar que otros dispositivos plasmónicos, que requieren una segunda capa por encima de la capa fina, creando un sándwich.