Teknologi Baru Dapat Membebani Sumber Elektronik Secara Dramatis – Untuk Penglihatan Malam Hari, Akselerator Partikel, dan Lainnya

Representasi artistik dari photocathode perovskite halides. Para peneliti di Universitas Rice dan Laboratorium Nasional Los Alamos telah menemukan semikonduktor perovskit (perak) halida yang diolah dengan lapisan tipis cesium (biru-hijau) yang dapat disetel untuk memancarkan elektron bebas (abu-abu) melintasi spektrum tampak dan ultraviolet (berwarna) panah), dan bahwa lapisan baru sesium dapat meregenerasi fotokatoda yang terdegradasi. Kredit: Gambar milik A. Mohite / Rice University

Universitas Rice dan Laboratorium Nasional Los Alamos menghasilkan fotokatoda berskala berbiaya rendah dari perovskit terhalogenasi.

Insinyur di Universitas Rice telah menemukan teknologi yang dapat menurunkan biaya sumber elektron semikonduktor, komponen utama dalam perangkat mulai dari kacamata penglihatan malam dan kamera cahaya rendah hingga mikroskop elektron dan partikel akselerator.

Dalam akses terbuka Komunikasi Alam Makalah, peneliti Rice dan kolaborator di Los Alamos National Laboratory (LANL) menjelaskan proses pertama untuk membuat sumber elektron dari film tipis perovskite yang secara efektif mengubah cahaya menjadi elektron bebas.

Produsen menghabiskan miliaran dolar setiap tahun untuk sumber elektron fotokatoda yang terbuat dari semikonduktor yang mengandung unsur langka seperti galium, selenium, kadmium, dan telurium.

“Ini seharusnya lipat lebih rendah dari biaya yang saat ini ada di pasar,” kata rekan koresponden studi Aditya Mohite, seorang ilmuwan material material dan insinyur kimia. Dia mengatakan perovskit terhalogenasi memiliki potensi untuk mengatasi dalam banyak hal sumber elektron semikonduktor yang ada.

“Pertama, ada kombinasi efisiensi kuantum dan kehidupan,” kata Mohite. “Meskipun ini adalah bukti konsep, dan demonstrasi pertama perovskit terhalogenasi sebagai sumber elektron, efisiensi kuantum hanya sekitar empat kali lebih rendah daripada fotokatoda galium arsenida yang tersedia secara komersial. Dan kami menemukan bahwa perovskit terhalogenasi memiliki umur yang lebih lama daripada galium arsenida. “

Aditya Mohite

Aditya Mohite adalah profesor teknik kimia dan biomolekuler serta ilmu material dan nanoengineering di Rice University. Kredit: Foto oleh Jeff Fitlow / Rice University

Keuntungan lain adalah bahwa photocathode perovskit dibuat dengan lapisan rotasi, metode berbiaya rendah yang dapat dengan mudah diskalakan, kata Mohite, profesor teknik kimia dan biomolekuler serta ilmu material dan nanoengineering.

“Kami juga menemukan bahwa fotokatoda perovskit yang terdegradasi dapat dengan mudah diregenerasi dibandingkan dengan bahan konvensional yang umumnya membutuhkan anil pada suhu tinggi,” katanya.

Para peneliti menguji lusinan photovodes dari alovide perovskite, beberapa dengan efisiensi kuantum hingga 2,2%. Mereka mendemonstrasikan metode mereka dengan membuat fotokatoda dengan komponen anorganik dan organik, dan mendemonstrasikan bahwa mereka dapat menyesuaikan emisi elektron pada spektrum tampak dan ultraviolet.

Efisiensi kuantum menggambarkan seberapa efektif fotokatoda dalam mengubah cahaya menjadi elektron yang dapat digunakan.

“Jika setiap foton yang masuk menghasilkan sebuah elektron dan Anda mengumpulkan setiap elektron, Anda akan memiliki efisiensi kuantum 100%,” kata ketua penulis studi Fangze Liu, rekan penelitian pascadoktoral di LANL. “Photocathode semikonduktor terbaik saat ini memiliki efisiensi kuantum sekitar 10-20%, dan semuanya terbuat dari bahan yang sangat mahal yang menggunakan proses manufaktur yang kompleks. Logam terkadang juga digunakan sebagai sumber elektron, dan efisiensi kuantum tembaga sangat kecil, sekitar 0,01%, tetapi masih digunakan, dan ini adalah teknologi praktis. ”

Penghematan biaya dari perovskite alovide photocathodes datang dalam dua bentuk: bahan baku untuk pembuatannya melimpah dan ekonomis, dan proses pembuatannya lebih sederhana dan lebih murah daripada semikonduktor tradisional.

“Ada kebutuhan yang sangat besar akan sesuatu yang berbiaya rendah dan dapat ditingkatkan,” kata Mohite. “Penggunaan bahan yang diolah dengan larutan, di mana Anda benar-benar dapat mengecat area yang luas, sama sekali tidak pernah terdengar untuk membuat jenis semikonduktor berkualitas tinggi yang dibutuhkan untuk photocathode.”

Nama ‘perovskit’ mengacu pada mineral tertentu yang ditemukan di Rusia pada tahun 1839 dan untuk senyawa apapun dengan struktur kristal dari mineral tersebut. Perovskit alid adalah yang terakhir, dan dapat dibuat dengan mencampurkan timbal, timah, dan logam lain dengan garam bromida atau iodida.

Penelitian tentang semikonduktor perovskit terhalogenasi telah dimulai di seluruh dunia setelah para ilmuwan di Inggris menggunakan lembaran kristal dari bahan tersebut untuk membuat sel surya efisiensi tinggi pada tahun 2012. Laboratorium lain telah menunjukkan bahwa bahan tersebut dapat digunakan untuk membuat LED, detektor fotodetektor, sel fotoelektrokimia untuk air – Memisahkan dan perangkat lain.

Mohite, seorang ahli perovskite yang bekerja sebagai ilmuwan riset di LANL sebelum bergabung dengan Rice pada tahun 2018, mengatakan salah satu alasan proyek alovide perovskite photocathode berhasil adalah karena kolaboratornya di grup penelitian LANL’s Applied Cathode Enhancement and Robustness Technologies adalah “salah satu yang terbaik tim di dunia untuk mengeksplorasi material dan teknologi baru untuk photocode. “

Fotokatoda bekerja sesuai dengan efek fotolistrik Einstein, melepaskan elektron bebas saat mereka terkena cahaya dengan frekuensi tertentu. Alasan efisiensi kuantum dari fotokatoda biasanya rendah karena bahkan cacat terkecil sekalipun, seperti cacat tunggal atom keluar dari tempatnya di kisi kristal, ia dapat menciptakan “sumur potensial” yang menjebak elektron bebas.

“Jika Anda memiliki cacat, semua elektron Anda akan hilang,” kata Mohite. “Ini membutuhkan banyak kendali.” Dan butuh banyak upaya untuk menemukan proses untuk membuat bahan perovskit yang baik. ”

Mohite dan Liu menggunakan spin-coating, teknik yang banyak digunakan di mana cairan dituangkan ke disk yang berputar cepat dan gaya sentrifugal menyebarkan cairan di atas permukaan disk. Dalam eksperimen Mohite dan Liu, spin-coat dibuat dalam atmosfer argon untuk membatasi pengotor. Setelah diputar, disk dipanaskan dan ditempatkan dalam vakum tinggi untuk mengubah cairan menjadi kristal dengan permukaan yang bersih.

“Ini membutuhkan banyak pengulangan,” kata Mohite. “Kami telah mencoba menyesuaikan komposisi material dan perlakuan permukaan dengan beberapa cara untuk mendapatkan kombinasi yang tepat untuk efisiensi maksimum. Ini merupakan tantangan terbesar.”

Dia mengatakan tim sudah bekerja untuk meningkatkan efisiensi kuantum dari fotokatoda mereka.

“Efisiensi kuantum mereka selalu lebih rendah dari semikonduktor tingkat lanjut, dan kami mengusulkan dalam makalah kami bahwa hal ini disebabkan adanya cacat permukaan yang tinggi,” katanya. “Langkah selanjutnya adalah membuat kristal perovskit berkualitas tinggi dengan kepadatan cacat permukaan yang lebih rendah.”

Referensi: “Efek fotolistrik yang sangat efisien dalam halida perovskit untuk sumber elektron regeneratif” oleh Fangze Liu, Siraj Sidhik, Mark A. Hoffbauer, Sina Lewis, Amanda J. Neukirch, Vitaly Pavlenko, Hsinhan Tsai, Wanyi Nie, Jacky Even, Sergei Tretiak, Pulickel M. Ajayan, Mercouri G. Kanatzidis, Jared J. Crochet, Nathan A. Moody, Jean-Christophe Blancon dan Aditya D. Mohite, 29 Januari 2021, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038 / s41467-021-20954-6

Rekan penulis lainnya termasuk Siraj Sidhik dan Pulickel Ajayan dari Rice; Mark Hoffbauer, Sina Lewis, Amanda Neukirch, Vitaly Pavlenko, Hsinhan Tsai, Wanyi Nie, Sergei Tretiak, Jared Crochet dan Nathan Moody dari Los Alamos; Jacky Even dari Institut Elektronik dan Teknologi Digital di Rennes, Prancis; è Mercouri Kanatzidis di Universitas Northwestern. Penelitian ini didukung oleh Kantor Riset Angkatan Darat, Universitas Rice, dan Institut Universitaire de France.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Skrining sinar-X mengidentifikasi obat yang menjanjikan untuk pengobatan COVID-19

Sebuah tim peneliti, termasuk ilmuwan MPSD, telah mengidentifikasi beberapa kandidat untuk melawan obat tersebut SARS-CoV-2 coronavirus menggunakan sumber cahaya sinar-X PETRA III di German...

Teori konspirasi memengaruhi perilaku kita – bahkan jika kita tidak mempercayainya!

Paling tidak karena COVID-19 pandemi, teori konspirasi lebih relevan dari sebelumnya. Mereka diberitakan dan didiskusikan di hampir semua media dan komunikasi. Tapi...

“Doodle Ringan” Nyata dalam Waktu Nyata

Para peneliti di Tokyo Metropolitan University telah merancang dan menerapkan algoritme yang disederhanakan untuk mengubah garis yang digambar secara bebas menjadi hologram pada CPU...

Teleskop Webb NASA menyertakan tabir surya seukuran lapangan tenis untuk perjalanan jutaan kilometer

Kedua wajah tabir surya James Webb Space Telescope dinaikkan secara vertikal untuk mempersiapkan pelipatan lapisan tabir surya. Kredit: NASA / Chris Gunn Insinyur bekerja...

Mineralogi Hangat Global Mengelola Pusat Perlindungan Kehidupan Batin

Tim lapangan DeMMO dari kiri ke kanan: Lily Momper, Brittany Kruger, dan Caitlin Casar mengambil sampel air yang meledak dari toilet DeMMO. Pendanaan:...

Newsletter

Subscribe to stay updated.