Les futures cellules solaires ultrafines et sources lumineuses pourraient avoir leurs surfaces couvertes par de minuscules tranchées, après que les chercheurs d'A*STAR ont découvert que de telles structures améliorent l'efficacité de quatre ordres de grandeur.

Joel Yang de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR faisait partie d'une collaboration internationale qui a atteint un 20, augmentation de 000 fois de la photoluminescence d'une couche d'un atome d'épaisseur de diséléniure de tungstène, en le montant sur une surface dorée à motifs de tranchées étroites.

Le diséléniure de tungstène est prometteur pour les ultra-sensibles, capteurs de lumière ultra-minces, cellules solaires et diodes électroluminescentes, en raison de sa capacité à absorber la lumière et à la réémettre à une fréquence différente. Cependant, cet effet ne se produit que pour une seule couche d'atomes, son efficacité est donc très faible – la majeure partie de la lumière passe directement à travers.

L'inspiration de Yang était de monter la couche sur une surface d'or et de piéger l'énergie lumineuse à l'interface des deux couches sous la forme de plasmons de surface. Pour améliorer l'absorption de la lumière, ils ont ajouté des tranchées à la couche d'or sous le diséléniure de tungstène.

"C'était très surprenant qu'une amélioration aussi importante soit possible, " dit Yang.

La clé consistait à faire correspondre la taille de la tranchée à l'énergie afin que les plasmons soient piégés dans les tranchées grâce à un processus de résonance connu sous le nom d'effet Purcell.

L'équipe a projeté une lumière de 633 nanomètres sur l'échantillon et mesuré la sortie à 750 nanomètres. Ils ont trouvé des tranchées de 12 nm de large dans un motif de grille avec un espacement de 200 nanomètres ont donné la photoluminescence la plus élevée - 20, 000 fois plus qu'une couche nue de diséléniure de tungstène.

Pour créer la structure, l'équipe a gravé un cristal de silicium très plat pour créer une grille de crêtes. Ensuite, ils ont déposé une couche d'or sur le silicium, puis l'ont décollée pour révéler les tranchées où se trouvaient les crêtes.

"L'étroitesse des tranchées et la planéité du film métallique sont importantes, ", dit Yang. "Toute rugosité interagira de manière préjudiciable avec le matériau bidimensionnel."

L'or était plongé dans l'eau et un film de diséléniure de tungstène flottait à la surface de l'eau. L'or a ensuite été lentement soulevé hors de la solution, émergeant avec la couche mince sur le dessus.

La structure simple présente de nombreux avantages, dit Yang. « Toute la surface est exposée à l'utilisateur, ce qui facilite les recherches ultérieures, comme la fonctionnalisation de la surface avec des produits chimiques ou l'ajout d'électrodes".

Il est également plus facile à fabriquer que d'autres dispositifs plasmoniques, qui nécessitent une deuxième couche au-dessus de la couche mince, créer un sandwich.