多么共同的元素可以使未來(lái)更加節(jié)能

薄膜太陽(yáng)能電池板，手中的手機(jī)和照亮家庭的LED燈泡都是使用地球上最稀有，最昂貴的元素制成的。包括密歇根大學(xué)研究人員在內(nèi)的一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種方法，可以用更便宜，更豐富的元素制造這些光電子材料。這些化合物也可以“調(diào)整”以有效地從太陽(yáng)光譜中的不同波長(zhǎng)的光中收集電能，并產(chǎn)生我們喜歡在照明中使用的顏色范圍。

只有特定種類的化合物 - 兩種或多種元素的組合 - 可用于制造有效發(fā)光或聚電的電子器件。如果你回憶起小學(xué)的化學(xué)課程，周期表上的每一欄都被認(rèn)為是一組要素。

例如，第III組包括諸如銦和鎵之類的元素 - 這兩種相對(duì)稀缺的元素目前仍然是光和電結(jié)合的應(yīng)用的基礎(chǔ)。問(wèn)題是，這些化合物通常涉及僅在世界上幾個(gè)地方發(fā)現(xiàn)的元素。

“事實(shí)上，我們面臨著一些元素耗盡的危險(xiǎn)，因?yàn)樗鼈儾灰谆厥?，而且供?yīng)有限，”領(lǐng)導(dǎo)UM工作的物理學(xué)家Roy Clarke說(shuō)。“技術(shù)依賴于可能在10到20年內(nèi)耗盡的東西是不可行的。”

研究小組找到了一種方法，將兩個(gè)共同元素從第三組包圍組合成一個(gè)由II，IV和V族元素組成的新化合物。這種II-IV-V化合物可用于代替通常發(fā)現(xiàn)的稀有元素在具有類似特性的III-V光電材料中 - 除了更豐富和更便宜之外。

鋅，錫和氮的新化合物可以收獲太陽(yáng)能和光能，因此它可用于薄膜太陽(yáng)能電池板以及LED燈泡，手機(jī)屏幕和電視顯示器。

使用鎂代替鋅進(jìn)一步將材料的范圍擴(kuò)展到藍(lán)色和紫外光。這兩種化合物也是“可調(diào)的” - 也就是說(shuō)，當(dāng)研究人員生長(zhǎng)任何一種化合物的晶體時(shí)，這些元素的排序方式應(yīng)使材料對(duì)特定波長(zhǎng)的光敏感。

這種可調(diào)性是理想的，因?yàn)樗试S研究人員調(diào)整材料以響應(yīng)最廣泛的光波長(zhǎng)范圍。這對(duì)于發(fā)光二極管尤為重要，因此設(shè)備設(shè)計(jì)人員可以選擇所產(chǎn)生的光的顏色。

“當(dāng)你照亮家庭或辦公室時(shí)，你希望能夠調(diào)節(jié)光線的溫暖，通常模仿自然陽(yáng)光，”克拉克說(shuō)。“這些新的II-IV-V化合物將使我們能夠做到這一點(diǎn)。”

研究生Robert Makin，Krystal York和James Mathis在西密歇根大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程教授Steve Durbin的實(shí)驗(yàn)室里制作了薄膜。

馬金剛剛獲得博士學(xué)位。來(lái)自WMU并且是該研究的主要作者，使用一種稱為分子束外延(MBE)的技術(shù)在正確的條件下生產(chǎn)所需的化合物，以制造具有精確控制的原子有序度的薄膜。

MBE以系統(tǒng)的方式排列化合物的每個(gè)原子層，因此研究人員可以在生長(zhǎng)它時(shí)研究薄層或薄膜結(jié)構(gòu)。下一階段的研究，導(dǎo)致各種設(shè)備設(shè)計(jì)的構(gòu)建，需要詳細(xì)研究這個(gè)材料系列的電子響應(yīng)和各種納米級(jí)架構(gòu)的測(cè)試，利用它們的多功能性。