Новый материал улучшит энергетические, компьютерные и фотонные технологии

Исследователи из Университета Аризоны создали новый структурный кристаллический материал, который обещает улучшить широкий диапазон технологий

Профессор электроинженерии Кун-Чжен Нинг (Cun-Zheng Ning) говорит, что материал, формально названный силикат хлорида эрбия, можно использовать для развития следующего поколения компьютеров, улучшения возможностей Интернета, увеличения эффективности кремниевых фотогальванических панелей, чтобы преобразовывать солнечный свет в электроэнергию, а также для повышения качества сенсорных технологий.

Исследовательская группа Нинга синтезирует новый состав в Лаборатории нанофотоники ASU.

Успех ученых в том, что им удалось синтезировать структурные компоненты эрбия в форму однокристалльной нанопроволоки, которая имеет лучшие свойства по сравнению с другими формами эрбия.

Эрбий - один из самых важных членов группы редкоземельных элементов в периодической таблице химических элементов. Оптическое волокно для высококачественной работы Интернета и телефонов, легированное эрбием, способно поглощать свет одной длины волны и испускать его на другой длине волны.

Эрбий используется для допинга оптоволокна, чтобы усилить сигналы Интернета и телефонной связи в телекоммуникационных системах. Допинг - термин, используемый для описания процесса внедрения низких концентраций различных элементов в другие вещества, чтобы изменить электрические или оптические свойства веществ для достижения желаемых результатов. Элементы, используемые в таких процессах, называются допанты.

Изображение иллюстрирует кристаллическую структуру нового материала, открытого в Лаборатории нанофотоники ASU. Четыре различных цвета представляют четыре элемента, которые были соединены, чтобы образовать новый материал

«С новым составом материала мы имеем в 1000 раз больше атомов эрбия, чем в оптоволокне. Это означает, что в систему размером с чип можно поместить много больших устройств, - говорит Нинг. - Таким образом, новые материалы, содержащие эрбий, можно соединить с кремнием, чтобы повысить функциональность компьютерных и коммуникативных систем на самой недорогой кремниевой платформе, увеличивая скорость компьютера и интернет-операций».

Материалы эрбия могут также использоваться, чтобы увеличить эффективность энергетического преобразования кремниевых солнечных батарей.

Кремний не поглощает солнечное излучение с длинами волны более 1,1 микрона, что приводит к бесполезной затрате энергии и делает солнечные батареи менее эффективными.

Новый материал на основе эрбия может оптимизировать солнечные батареи. Эрбий способен преобразовать два или несколько фотонов, несущих небольшие количества энергии, в один фотон, который будет обладать большим количеством энергии. Этот более мощный фотон может быть поглощен кремнием, таким образом увеличивая эффективность солнечных батарей.

Материалы на основе эрбия также помогают поглощать солнечный ультрафиолетовый свет и преобразовать его в фотоны, несущие небольшую энергию, которая может быть более эффективно преобразована кремнием в электричество. Подобная цвето-конверсионная функция превращения ультрафиолетового света в другие видимые цвета света также важна в производстве белого света для твердотельных устройств, которые одновременно с основной функцией должны служить источниками света.

Обычные солнечные батареи также называют фотогальваническими панелями. Они сделаны из полупроводника, обычно кремния. Теперь их можно сделать более эффективными с помощью эрбия

Ученые разработали принцип, который предполагает введение эрбия в различные материалы как допанта. «Раньше проблема была в том, что мы не могли ввести достаточно атомов эрбия в кристаллы и стекло, не ухудшая оптических свойств, так как различные допанты группировались, снижая визуальное качество», - говорит Нинг.

Но так как атомы эрбия организованы в периодическом множестве, они не группируются в своем новом составе. Тот факт, что материал был произведен в высококачественной однокристалльной форме, делает его оптическое качество более высоким, чем у других легированных материалов, говорит Нинг. Уникальное достижение команды Нинга в том, что эрбий может быть составляющей однородной структурированной смеси, а значит количество атомов эрбия ученые могут задавать сами. Контроль над атомами эрбия позволить увеличить их концентрацию в тысячу раз.

Увеличение числа атомов эрбия обеспечивает больше оптической активности, чтобы произвести более мощные и быстрые сигналы. Это также увеличивает преобразование различных световых цветов в белый свет, что необходимо для функции освещения твердотельных устройств и позволяет солнечным батареям более эффективно преобразовать солнечный свет в электроэнергию.

Как многие научные открытия, синтез этого нового эрбиевого материала был сделан случайно.

«Мы первоначально пытались лакировать эрбий в кремниевую нанопроволоку. Но свойства, которые показал материал, нас удивили, - говорит ученый. - Мы получили совершенно новый материал. Мы не знали, что это такое. Нам потребовалось больше года, чтобы наконец понять, что мы получили новый однокристалльный материал, который не существовал ранее».

Нинг и его команда пытаются внедрить новый материал в современные технологии. Среди их разработок - увеличение эффективности солнечной батареи, создание миниатюризированных оптических усилителей фотонных систем для компьютеров и улучшение качества и скорости Интернета.

«Но что важнее всего – мы еще не знаем всех возможностей материала. Предварительные исследования открывают много удивительных свойств. Я думаю, нас ждут захватывающие открытия», - говорит Нинг.