Znajdź zawartość

Gdy naukowcy z fińskiego Uniwersytetu Aalto po raz pierwszy zobaczyli wyniki badań nad wydajnością swoich detektorów z czarnego krzemu, sądzili, że to pomyłka. Trudno im bowiem było uwierzyć nie tylko w to, że stworzyli pierwsze urządzenie fotowoltaiczne, które przekroczyło limit 100% zewnętrznej wydajności kwantowej, ale i w to, że wydajność ta od razu sięgnęła 130%. Dotychczas uważano, że 100% stanowi nieprzekraczalne teoretyczne maksimum. Gdy to zobaczyliśmy nie mogliśmy uwierzyć. Od razu stwierdziliśmy, że musimy zweryfikować uzyskany wynik za pomocą niezależnych pomiarów, mówi profesor Hele Savin. Niezależne pomiary przeprowadził Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), niemiecki narodowy instytut metrologiczny, najbardziej wiarygodna w tym zakresie instytucja w UE. Obok amerykańskiego NIST i brytyjskiego NPL stanowi on ścisłą światową czołówkę w dziedzinie metrologii. Dyrektor Laboratorium Radiometrii PTB, doktor Lutz Werner stwierdził, że gdy tylko zobaczyłem wyniki pomiarów, zdałem sobie sprawę, że mamy tutaj do czynienia z olbrzymim przełomem. Zewnętrzna wydajność kwantowa urządzenia wynosząca 100% oznacza, że 1 foton wpadający do urządzenia, przyczynia się do powstania 1 elektronu w zewnętrznym obwodzie. Zatem wydajność 130% to nic innego, jak generowanie przez 1 foton około 1,3 elektronu. Analiza wykazała, że ta wyjątkowo wysoka zewnętrzna wydajność kwantowa bierze się z procesu multiplikacji zachodzącego wewnątrz nanostruktur krzemu. Proces ten uruchamiany jest obecnością wysoko energetycznego fotonu. Dotychczas zjawiska takiego nie zaobserwowano, gdyż w urządzeniach dochodziło do dużych strat zarówno fotonów jak i elektronów. Jesteśmy w stanie zebrać wszystkie zwielokrotnione nośniki ładunku, gdyż nasze urządzenie nie wywołuje strat powodowanych przez rekombinację i odbicia, mówi profesor Savin. Odkrycie to oznacza, że możliwe jest znakomite zwiększenie wydajności każdego urządzenia, którego praca polega na wykrywaniu obecności fotonu. Takie urządzenia obecne są dosłownie wszędzie, w przemyśle samochodowym, w telefonach komórkowych czy w urządzeniach medycznych. Opracowane przez Finów detektory w czarnego krzemu już spotkały się z olbrzymim zainteresowaniem ze strony przemysłu, szczególnie biotechnologicznego oraz specjalizującego się w monitorowaniu procesów produkcyjnych. « powrót do artykułu

Pod koniec lat 90. opracowano nowy obiecujący materiał - czarny krzem. Wykazuje on znacznie większą wrażliwość na światło niż zwykły krzem, dlatego też może posłużyć np. do stworzenia wydajnych ogniw słonecznych. Jednak czarny krzem jest bardzo trudny w masowej produkcji, dlatego wciąż nie rozpowszechnił się na rynku. Specjaliści starający się udoskonalić metody produkcji czarnego krzemu stworzyli nowy materiał, który nazwali różowym krzemem. Nazwa pochodzi od bardzo delikatnego zabarwienia. Jest ono na tyle słabo widoczne, iż trudno jest odróżnić różowy krzem od tradycyjnego krzemu. Badania wykazały, że ma wszystkie zalety czarnego krzemu, ale jest pozbawiony jego wad. Produkcja obu rodzajów krzemu jest podobna. By uzyskać czarny krzem należy potraktować krzemowy plaster silnymi impulsami lasera w obecności sześciofluorku siarki. Powierzchnia krzemu ulega stopieniu, siarka zostaje zamknięta w plastrze, który następnie się schładza. Dochodzi też do ablacji. Okazało się, że różowy krzem uzyskamy w ten sam sposób, jednak laser należy ustawić na taką moc, by nie zachodziła ablacja. To wystarczy, by uzyskać materiał, który wykazuje taką samą wrażliwość na światło jak czarny krzem, ale nie jest tak kruchy, a więc powinien być łatwiejszy w masowej produkcji. Naukowcy starają się teraz dowiedzieć, dlaczego czarny krzem absorbuje przede wszystkim podczerwień. W przypadku różowego krzemu absorbcja różnych długości fali jest bardziej równomierna.

Pod koniec lat 90. doktor Eric Mazur z Uniwersytetu Harvarda na zlecenie Army Research Organization pracował nad reakcjami katalitycznymi przebiegającymi na powierzchniach metalowych. Miałem dość metali i martwiłem się, że granty się kończą. Bez większego zastanowienia zaproponowałem więc nowy kierunek badań. Nie wiem, dlaczego to zrobiłem - wspomina dzisiaj Mazur. W ramach nowych badań grupa Mazura zajęła się m.in. bombardowaniem powierzchni krzemowego plastra silnymi impulsami lasera w obecności sześciofluorku siarki. W efekcie uzyskano czarny krzem. Badania mikroskopem elektronowym wykazały, że na powierzchni krzemu pojawiła się bardzo gęsta struktura "trawy" zorientowanej prostopadle do plastra. W nauce najbardziej ekscytującym okrzykiem nie jest 'Eureka", ale 'Co?!' - mówi Michael Hawley z Cambridge. Naukowcy nie mieli pojęcia do czego może przydać się czarny krzem. Kolejne badania wykazały, że charakteryzuje się on nawet 500-krotnie większą czułością na światło niż konwencjonalne plastry krzemowe. Czarny krzem absorbuje dwukrotnie więcej światła widzialnego niż zwykły materiał, potrafi wykrywać też światło podczerwone. Nowy materiał znajdzie bardzo szerokie zastosowanie, od znacznie doskonalszych kamer i aparatów cyfrowych po wydajne ogniwa słoneczne. Większa czułość na światło oznacza lepszy obraz przy gorszych warunkach oświetleniowych. Właściwość ta przyda się np. w obrazowaniu medycznym, systemach laserowego namierzania, czujnikach optycznych. Możliwe będzie też zastosowanie czarnego krzemu w systemach telekomunikacyjnych. Powołano już firmę SiOnyx, która właśnie otrzymała od Uniwersytetu Harvarda licencję na czarny krzem. Jej zadaniem będzie komercjalizacja wynalazku. SiOnyx nie będzie samodzielnie zajmowało się produkcją urządzeń wykorzystujących czarny krzem. Będzie udzielał licencji na wynalazek wszystkim chętnym, a rynek sam znajdzie dla czarnego krzemu odpowiednie zastosowania. Historia doktora Mazura to, jak zauważają akademicy, najlepszy przykład tego, że trzymając się ściśle wytycznych założonych przez instytucję przyznającą grant można przegapić wiele okazji do opracowania interesujących technologii.