Mejorar la sensibilidad de los sensores de luz o la eficiencia de las células solares requiere un ajuste fino de la captura de luz. Los investigadores de KAUST han utilizado geometría compleja para desarrollar pequeñas cubiertas en forma de concha que pueden aumentar la eficiencia y la velocidad de los fotodetectores.

Se han investigado muchos diseños de cavidades ópticas para buscar eficiencias de luz:ya sea atrapando la onda electromagnética o confinando la luz a la región activa del dispositivo para aumentar la absorción. La mayoría emplea esferas simples de escala micrométrica o nanométrica en las que la luz se propaga en círculos en el interior de la superficie. conocido como modo de galería susurrante.

El ex científico de KAUST Der-Hsien Lien, ahora investigador postdoctoral en la Universidad de California, Berkeley, y sus colegas de China, Australia y los EE. UU. Demuestran que una geometría más compleja que comprende capas de nanoescala convexas mejora el rendimiento de los fotodetectores al aumentar la velocidad a la que operan y permitirles detectar la luz desde todas las direcciones.

Los efectos de superficie juegan un papel importante en el funcionamiento de algunos dispositivos, explica el investigador principal de KAUST, Jr-Hau He. Los nanomateriales ofrecen una forma de mejorar el rendimiento debido a su alta relación superficie-volumen. "Sin embargo, aunque los nanomateriales tienen una mayor sensibilidad en la detección de luz en comparación con el grueso, las interacciones luz-materia son más débiles porque son más delgadas, "describe a Él". Para mejorar esto, diseñamos estructuras para atrapar la luz ".

Los investigadores hicieron sus multi-nanocapas esféricas a partir del óxido de zinc semiconductor. Sumergieron esferas de carbono sólido en una solución de sal de óxido de zinc, recubriéndolos con el material óptico. El tratamiento térmico eliminó la plantilla de carbono y definió la geometría de las nanoestructuras de óxido de zinc restantes. incluyendo el número de conchas y el espacio entre ellas. Por lo tanto, Lien y sus colegas pudieron diseñar la interacción entre las capas externas e internas para inducir un modo de galería susurrante y absorción de luz cerca de la superficie del nanomaterial.

El equipo incorporó sus nanocapas en un fotodetector. La simetría de las nanocapas esféricas significaba que el modo de galería susurrante podía excitarse con poca dependencia del ángulo incidente o la polarización de la luz entrante.

Un problema encontrado con los fotodetectores anteriores basados ​​en nanopartículas de óxido metálico es su baja velocidad, y los dispositivos tardan varios cientos de segundos en responder. Usando nanocapas de óxido de zinc, los fotodetectores pudieron responder en 0,8 milisegundos.

"Esta estrategia se puede aplicar a otros trabajos, como células solares y dispositivos de división de agua, "dice Él." En el futuro, analizaremos diferentes sistemas de materiales y estructuras de diseño que también mejoran el rendimiento del dispositivo en estas otras aplicaciones ".