Lys fra silicium-nanopartikler. Fysiklærerdag 22. januar 2010 Brian Julsgaard

Størrelse: px

Starte visningen fra side:

Download "Lys fra silicium-nanopartikler. Fysiklærerdag 22. januar 2010 Brian Julsgaard"

Viggo Dideriksen
8 år siden
Visninger:

1 Lys fra silicium-nanopartikler Fysiklærerdag 22. januar 2010 Brian Julsgaard

2 Oversigt Hvorfor silicium? Hvorfor lyser nano-struktureret silicium? Hvad er en nanokrystal og hvordan laver man den? Hvad studerer vi eller vil vi gerne studere på IFA? Fundamental forståelse af nanokrystaller. Fremtidens solceller med nanokrystaller. Sjældne jordarter og nanokrystaller.

Hvad studerer vi eller vil vi gerne studere på IFA?

3 Silicium Billigt materiale, 25.7% af Jordens skorpe består af silicium. Elektriske egenskaber kan modificeres/kontrolleres. Basis for elektronik-industrien Men, silicium kan ikke udsende lys...

4 Silicium Lys er vigtigt i mange sammenhænge for elektroniske produkter:

5 Lys fra silicium Leigh Canham, 1990: Porøst silicium Silicium Syrebad

6 Lys fra silicium 2μm Porøst silicium kan godt udsende lys.

7 Hvorfor lyser normalt silicium ikke? Forklaring i energi-bånd-strukturen: Vekselvirkning med lys kræver impuls- og energi-bevarelse. Foton Båndstrukturen er en makroskopisk egenskab af materialet. Energi [ev] Varme-tab Krystal impuls Krystal impuls

8 Hvorfor lyser nanostruktureret silicium? 1) Materialet er ikke makroskopisk. Bånd-struktur-argument virker ikke mere... 2) Heisenbergs usikkerhedsprincip: I en nanokrystal: 1) Position af et elektron/hul-par er velbestemt. 2) Impulsen er IKKE velbestemt, men udgør en bred fordeling. 3) Lettere at opnå energi- og impuls-bevarelse! Krystal impuls

.. 2) Heisenbergs usikkerhedsprincip: I en nanokrystal: 1) Position af et

9 Hvad er en nanokrystal? Fabrikation af nanokrystaller Een type materiale En anden type materiale Energi få nm Ledningsbånd Valensbånd Position

10 Fabrikation af nanokrystaller Hvad er en nanokrystal? Een type materiale f.eks. kvarts (SiO 2 ) En anden type materiale f.eks. Si Energi få nm Ledningsbånd Kvantiserede energiniveauer Elektron-hul par Valensbånd Position

11 Nanokrystal fabrikation: Fabrikation af nanokrystaller SiO 2 Si ( nm tykkelse) SiO 2 Si wafer

12 Nanokrystal fabrikation: Fabrikation af nanokrystaller Varmebehandling (typisk 1100 ºC) SiO 2 Si ( nm tykkelse) SiO 2 Si wafer

13 Fundamental forståelse af nanokrystaller Mange vigtige detaljer er studeret gennem tiden: Hvorfor lyser nanokrystallerne egentligt? Hvad sker der når nanokrystallerne bliver mindre? Hvor effektivt lyser nanokrystallerne? Hvad kan det udsendte lys fortælle om nanokrystallernes interne struktur og dynamik? Eksempel på tidsopløste metoder...

Hvad sker der når nanokrystallerne bliver mindre?

14 Spin-dynamik i nanokrystaller Elektronerne og hullerne har spin: Energi Ledningsbånd Lyser bedst Lavest energi Valensbånd Position

15 Spin-dynamik i nanokrystaller Detekter det udsendte lys: Laser NC Detektor 10 2 Lyser bedst Lavest energi Tællinger Tid [μs]

16 Spin-dynamik i nanokrystaller Detekter det udsendte lys: Laser NC 25% 25% 25% 25% Detektor 10 2 Lyser bedst Lavest energi Tællinger Tid [μs]

17 Spin-dynamik i nanokrystaller Detekter det udsendte lys: Laser NC 20% 20% 30% 30% Detektor 10 2 Lyser bedst Lavest energi Tællinger Tid [μs]

18 Spin-dynamik i nanokrystaller Detekter det udsendte lys: Laser NC 15% 15% 35% 35% Detektor 10 2 Lyser bedst Lavest energi Tællinger Tid [μs]

19 Spin-dynamik i nanokrystaller Detekter det udsendte lys: Laser NC 10% 10% 40% 40% Detektor 10 2 Lyser bedst Lavest energi Tællinger Tid [μs]

20 Spin-dynamik i nanokrystaller Detekter det udsendte lys: Laser NC 0% 0% 49% 49% Detektor 10 2 Lyser bedst Lavest energi Tællinger Tid [μs]

21 Spin-dynamik i nanokrystaller Detekter det udsendte lys: Laser NC Detektor 10 2 Henfaldstid ca. 100 ns. Lyser bedst Lavest energi Tællinger Tid [μs]

22 Spin-dynamik i nanokrystaller Tidsopløste metoder kan adskille forskellige processer. Spin-dynamik er vigtigt for tolkningen af henfaldskurver. Spin-dynamik er vigtigt for forståelsen af vekselvirkningen mellem nanokrystallerne og det omgivende miljø Tællinger Tid [μs]

23 Fremtidens solceller Solceller i praksis lavet af halvleder-materialer f.eks. silicium. IR lys absorberes ikke. Lys lidt under 1100 nm absorberes i tyk solcelle. Korte bølgelængder absorberes effektivt, men giver varmetab. Energi Ledningsbånd 1.1 ev (1100 nm) Valensbånd

24 Fremtidens solceller 47% går tabt til varme Standard silicium solcelle 18% kan ikke absorberes 5% går tabt pga. rekombination Kan omsættes til elektricitet i en solcelle ca. 30%

25 Fremtidens solceller Hvad kan nanokrystaller bidrage med? Hurtig termalisering Langsom termalisering Kan måske mindske varmetabet Multi-exciton generation Exciton = elektron-hul par

26 Fremtidens solceller Hvordan detekterer man multi-exciton generation? Først: Detektion af excitoner generelt: Brug infrarødt lys: Kan ikke skabe et elektron-hul par. Kan absorberes af et elektron-hul par.

27 Fremtidens solceller Hvordan detekterer man multi-exciton generation? Først: Detektion af excitoner generelt: Absorptionen proportional med antal elektron-hul par: 10 x 1

28 Fremtidens solceller Hvordan detekterer man multi-exciton generation? Først: Detektion af excitoner generelt: Absorptionen proportional med antal elektron-hul par: 20 x 1

29 Fremtidens solceller Hvordan detekterer man multi-exciton generation? Først: Detektion af excitoner generelt: Absorptionen proportional med antal elektron-hul par: Hvordan ser vi forskel? 10 x 2

30 Fremtidens solceller Hvordan detekterer man multi-exciton generation? Absorption Auger rekombination Tidsskala: Nogle 100 ps. Tid

31 Fremtidens solceller Hvordan detekterer man multi-exciton generation? Absorption Fortæller om antal multi-excitoner τ Tid

32 Fremtidens solceller Absorption Si-nanokrystal Tid Tids-opløste metoder adskiller forskellige processer. E g Beard and Ellingson, Laser & Photon Rev. 2, 377 (2008)

33 Fremtidens solceller Status på multipel-exciton generation: 1) Langt de fleste eksperimenter foregår i væsker. 2) Multi-excitoner henfalder på nogle 100 ps. 3) Stor udfordring at omdanne ladningerne til brugbar strøm. 4) Måske findes bedre materialer.

34 Fremtidens solceller Hvorfor er solceller så vigtige?

35 Verdens energiforbrug: Fremtidens solceller 2005: 13 TW = kwh per år. 2050: 30 TW 2100: 46 TW Total-effekt fra Solen: TW Sol-cellererdyre: 0.30 USD/kWh Fossilt brændstof er billigt: 0.02 USD/kWh

36 Fremtidens solceller

37 Sjældne jordarter Optiske fibre: Er nm 1550 nm 1550 nm

38 Eksempel på fiberlaser: Sjældne jordarter Ikke billigt...

39 Sjældne jordarter Er 3+ Elektrisk aktivering? Energioverførsel Mekanisme? 980 nm 1550 nm

40 Opsummering Nano-struktureret silicium kan lyse. Nanokrystaller er en slags kunstige atomer spændende fysik. Nanokrystaller kan potentielt ændre solcellers egenskaber. Nanokrystaller kan assistere lysudsendelse fra erbium. Silicium har fået en mere direkte rolle inden for optik.

Relaterede dokumenter

LYS I FOTONISKE KRYSTALLER 2006/1 29

LYS I FOTONISKE KRYSTALLER 2006/1 29 LYS I FOTONISKE KRYSTALLER OG OPTISKE NANOBOKSE Af Peter Lodahl Hvordan opstår lys? Dette fundamentale spørgsmål har beskæftiget fysikere gennem generationer. Med udviklingen af kvantemekanikken i begyndelsen