Dans la quête de récolter la lumière pour l'électronique, le point focal est le moment où les photons - particules lumineuses - rencontrent des électrons, ces particules subatomiques chargées négativement qui forment la base de nos vies électroniques modernes. Si les conditions sont réunies lorsque les électrons et les photons se rencontrent, un échange d'énergie peut se produire. Maximiser ce transfert d'énergie est la clé pour rendre possible une énergie efficace captée par la lumière.

"C'est l'idéal, mais trouver une efficacité élevée est très difficile, " a déclaré Sanfeng Wu, doctorant en physique à l'Université de Washington. " Les chercheurs ont recherché des matériaux qui leur permettraient de le faire - une façon est de faire en sorte que chaque photon absorbé transfère toute son énergie à de nombreux électrons, au lieu d'un seul électron dans les appareils traditionnels."

Dans les méthodes traditionnelles de récolte de lumière, l'énergie d'un photon n'excite qu'un électron ou aucun en fonction de la bande interdite de l'absorbeur, ne transférant qu'une petite partie de l'énergie lumineuse en électricité. L'énergie restante est perdue sous forme de chaleur. Mais dans un article publié le 13 mai à Avancées scientifiques , Wu, Le professeur agrégé de l'UW Xiaodong Xu et ses collègues de quatre autres institutions décrivent une approche prometteuse pour amener les photons à stimuler plusieurs électrons. Leur méthode exploite des interactions surprenantes au niveau quantique pour donner à un photon plusieurs partenaires électroniques potentiels. Wu et Xu, qui a des postes au département de science et génie des matériaux de l'UW et au département de physique, fait cette découverte surprenante à l'aide de graphène.

"Le graphène est une substance aux nombreuses propriétés excitantes, " dit Wu, l'auteur principal du journal. "Pour nos besoins, il montre une interaction très efficace avec la lumière."

Le graphène est un réseau hexagonal bidimensionnel d'atomes de carbone liés les uns aux autres, et les électrons sont capables de se déplacer facilement dans le graphène. Les chercheurs ont pris une seule couche de graphène – une seule feuille d'atomes de carbone d'épaisseur – et l'ont prise en sandwich entre deux fines couches d'un matériau appelé nitrure de bore.

"Le nitrure de bore a une structure en réseau très similaire au graphène, mais a des propriétés chimiques très différentes, " dit Wu. " Les électrons ne circulent pas facilement dans le nitrure de bore; il agit essentiellement comme un isolant.

Xu et Wu ont découvert que lorsque le réseau de la couche de graphène est aligné avec les couches de nitrure de bore, un type de « super-réseau » est créé avec des propriétés permettant une optoélectronique efficace que les chercheurs avaient recherchée. Ces propriétés reposent sur la mécanique quantique, les règles parfois déconcertantes qui régissent les interactions entre toutes les particules de matière connues. Wu et Xu ont détecté des régions quantiques uniques dans le super-réseau connues sous le nom de singularités de Van Hove.

"Ce sont des régions d'une énorme densité électronique d'états, et ils n'ont pas été accédés dans le graphène ou le nitrure de bore seul, ", a déclaré Wu. "Nous n'avons créé ces régions à haute densité électronique de manière accessible que lorsque les deux couches ont été alignées ensemble."

Lorsque Xu et Wu ont dirigé des photons énergétiques vers le super-réseau, ils ont découvert que ces singularités de Van Hove étaient des sites où un photon énergisé pouvait transférer son énergie à plusieurs électrons qui sont ensuite collectés par des électrodes - pas seulement un électron ou aucun avec l'énergie restante perdue sous forme de chaleur. Par une estimation prudente, Xu et Wu rapportent qu'à l'intérieur de ce super-réseau, un photon pourrait " donner un coup de pied " à jusqu'à cinq électrons pour circuler sous forme de courant.

Avec la découverte de la collecte de plusieurs électrons lors de l'absorption d'un photon, les chercheurs pourraient être en mesure de créer des dispositifs très efficaces qui pourraient capter la lumière avec un grand profit énergétique. Les travaux futurs devraient découvrir comment organiser les électrons excités en courant électrique pour optimiser l'efficacité de conversion d'énergie et supprimer certaines des propriétés les plus encombrantes de leur super-réseau, comme le besoin d'un champ magnétique. Mais ils pensent que ce processus efficace entre les photons et les électrons représente un progrès majeur.

"Le graphène est un tigre à fort potentiel pour l'optoélectronique, mais enfermé dans une cage, " a déclaré Wu. " Les singularités de ce super-réseau sont la clé pour déverrouiller cette cage et libérer le potentiel du graphène pour l'application de récolte de lumière. "