Lateral photovoltaic effect in SiO2/TeO2/Bi2Te3/n-Si structure

Licht doet meer dan alleen de wereld verlichten; in de juiste materialen kan het ook elektriciteit zijwaarts duwen. Dit fenomeen, bekend als het laterale fotovoltaïsche effect, treedt op wanneer een lichtstraal een oppervlak raakt en een spanning creëert die volledig afhankelijk is van waar dat licht landt. Als het licht beweegt, verschuift het elektrische signaal, wat het mogelijk maakt om sensoren te bouwen die precies weten waar een lichtstraal een oppervlak raakt zonder dat daar een camera of een bewegend onderdeel voor nodig is. Dit vermogen om positie te vertalen naar elektriciteit is waardevol voor alles, van het volgen van minuscule bewegingen in microscopen tot het sturen van robots. Om deze sensoren beter te laten werken, zoeken wetenschappers voortdurend naar nieuwe materialen die gevoelig zijn voor een breed scala aan lichtkleuren en die kunnen functioneren onder verschillende omstandigheden, zoals variërende temperaturen of magnetische velden. Een veelbelovende kandidaat is een materiaal genaamd bismuttelluride, dat bekend staat om zijn unieke vermogen om elektriciteit op zijn oppervlak te geleiden terwijl het warmte blokkeert, eigenschappen die het een favoriet maken voor geavanceerde elektronische apparaten.

Een team onderzoekers aan het Kirensky Instituut voor Fysica en het Instituut voor Automatisering en Controleprocessen in Rusland heeft onlangs onderzocht hoe dit effect werkt in een specifieke, gelaagde structuur. Ze bouwden een sandwich van materialen, beginnend met een standaard siliciumbasis, wat hetzelfde materiaal is als dat gebruikt wordt in de meeste computerchips. Bovenop dit silicium lieten ze een zeer dunne film van bismuttelluride groeien, bedekt met lagen oxiden die van nature ontstonden toen het monster werd blootgesteld aan de lucht. Het doel was om te zien hoe licht met deze hybride stapel zou interageren en of het resulterende elektrische signaal iets nieuws kon onthullen over hoe de verschillende lagen samenwerken. Door licht van verschillende kleuren op het monster te schijnen en de spanning te meten die tussen twee punten op het oppervlak ontstond, konden de onderzoekers nauwkeurig in kaart brengen hoe het licht in elektriciteit werd omgezet.

De experimenten onthulden een fascinerende splitsing in gedrag. Wanneer de onderzoekers het licht over een bereik van kleuren scanden, van het zichtbare spectrum tot het infrarood, ontdekten ze dat het elektrische signaal niet geleidelijk veranderde. In plaats daarvan keerde het signaal rond een golflengte van één micrometer van richting. Voordat dit punt werd bereikt, gedroeg de spanning zich op een bepaalde manier, gedreven door de siliciumbasis die het licht absorbeerde. Na dit punt keerde de spanning om, gedreven door de bismuttelluridefilm die het licht absorbeerde. Deze ommekeer vindt plaats omdat silicium en bismuttelluride verschillende energiedrempels hebben voor het absorberen van licht; silicium stopt effectief met absorberen bij langere golflengten, terwijl de bismuttelluride blijft reageren. De onderzoekers observeerden dat het deel van het signaal dat afkomstig was van het silicium gevoelig was voor magnetische velden, waarbij de sterkte veranderde wanneer er een magneet in de buurt werd gebracht, terwijl het deel dat van de bismuttelluride kwam constant bleef.

Dit verschil in reactie op magnetische velden leverde een cruciale aanwijzing op over wat er binnen het apparaat gebeurde. Het team concludeerde dat het door silicium gerelateerde signaal werd beïnvloed door specifieke energieniveaus, of "vallen" (traps), die zich precies op de grens bevinden waar de bismuttelluride de silicium ontmoet. Deze vallen, waarschijnlijk veroorzaakt door kleine onzuiverheden of defecten die zijn geïntroduceerd tijdens de groei van de film, kunnen elektrische dragers vangen en vrijlaten. Wanneer een magnetisch veld wordt toegepast, verandert dit de energie van deze vallen, wat op zijn beurt de mate waarin zij bijdragen aan het elektrische signaal beïnvloedt. Het door bismuttelluride gerelateerde deel van het signaal leunt echter niet op deze specifieke grensvallen, wat verklaart waarom het het magnetische veld negeert. De onderzoekers controleerden het apparaat ook bij zeer lage temperaturen en vonden dat het signaal op een voorspelbare manier veranderde, wat bevestigde dat het effect werkelijk door licht kwam en niet alleen door warmte.

De studie bevestigt dat deze hybride structuur twee verschillende paden bevat voor het genereren van elektriciteit uit licht, elk met een eigen karakter. Eén pad is verbonden met het silicium en reageert op magnetische velden, terwijl het andere pad verbonden is met de bismuttelluride en constant blijft. Door te begrijpen hoe deze twee kanalen naast elkaar bestaan en hoe ze reageren op verschillende omstandigheden, kunnen wetenschappers toekomstige sensoren beter ontwerpen die niet alleen gevoelig zijn voor positie, maar ook in staat zijn om onderscheid te maken tussen verschillende soorten licht of te functioneren in complexe omgevingen. Het werk suggereert dat door de interface tussen deze materialen zorgvuldig te controleren, het mogelijk is om het apparaat af te stemmen om gevoeliger te zijn voor magnetische velden of om efficiënt te werken over een breder spectrum van licht, wat nieuwe deuren opent voor optische sensortechnologie.