MIT 연구진은 태양으로부터 나오는 광에너지 수확을 크게 향상시킬 수 있는 방법을 발견하였다. 이들의 방법은 더 우수한 태양전지 또는 검출기의 개발을 가능하게 할 수 있을 것이다. 이 새로운 연구는 예상하지 못한 양자 효과가 전자와 정공이라고 알려진 전하 운반자의 개수가 증가시킨다는 발견에 기반하고 있다. 전자와 정공은 높은 지수의 절연성을 가진 특별한 산화 물질로 코팅된 금속 표면을 다른 파장을 가진 포톤들이 부딪힐 때 느슨해진다. 포톤은 표면 플라즈몬이라고 알려진 것들을 발생시킨다. 플라즈몬은 흡수된 포톤과 동일한 주파수를 가진 진동하는 전자들의 구름이다.
이 연구는 산화물로 코팅된 은 판을 사용하였다. 이것은 광에너지를 경계면에서 원자들의 편광으로 변환시킨다. 이들의 연구는 놀라운 사실을 밝혀내었다. 가시 광선의 흡수는 전자가 금속과 유전체 사이의 경계면에서 얼마나 깊게 침투하는지에 의해서 직접적으로 제어된다는 것이다. 이런 효과의 세기는 물질의 유전 상수에 직접적으로 의존한다. 이것은 그것이 얼마나 전류의 흐름을 차단하고 에너지를 편광으로 변환시키는지를 알려준다.
양자 프로세스는 빛이 금속-절연체 경계면에 부딪힐 때 전자의 발생을 증가시킨다. 그와 같은 물질에서 전자의 생상이 향상된 것을 보여주는 이전의 실험에서는 이런 특성이 물질의 결함 때문이라는 결론을 내렸다. 그러나 이들 연구진은 그런 설명은 왜 그와 같이 광범위한 흡수가 그와 같은 얇은 층에서 발생하는지에 대한 충분한 이유가 되지 못한다고 말하였다. 이들의 실험은 이런 강한 상호작용에 대한 설명으로서 양자 기반 효과가 그 이유라는 것을 밝혀내었다.
이들 연구진은 금속 표면에 증착되는 산화 알루미눔과 같은 절연체 물질의 층의 성분과 두께를 변화시켜가면서, 입사되는 포톤으로부터 얼마나 많은 에너지가 금속 안에서 전자와 정공 쌍을 발생시킬 수 있도록 전환되는지를 제어할 수 있었다. 더구나 이 시스템은 흡수될 빛의 색, 파장이 광범위하게 될 수 있도록 하는 것이 가능하다. 이 현상은 에너지 수확을 위한 유용한 디바이스에 사용될 수 있다. 이 물질은 산업 스케일에서 이미 널리 사용되고 있다. 산호물은 더 양호한 트랜지스터를 제작하는데 사용되고 있다. 이것은 이제 더 양호한 태양전지와 초고속 광검출기 제작에 사용될 수 있는 것이다.
절연체 층의 추가는 놀라운 효과를 발생시킨다. 그것은 태양광 수확의 효율성을 증가시키는 것이라고 연구진은 말하였다. 이런 원리에 기반한 태양 전지는 매우 얇기 때문에, 그것들은 전통적인 실리콘 태양전지보다 물질을 덜 사용하게 될 것이다. 그들의 광범위한 반응 때문에, 그와 같은 시스템은 또한 입사되는 빛에 훨씬 더 빠르게 반응한다. 이들 연구진은 이런 특성을 이용하여 현재 광검출기보다 더 짧은 펄스 신호를 검출할 수 있을 것이라고 말하였다. 이것은 빛을 이용하여 고속으로 데이터를 송신하고 수신할 수 있다는 것을 의미한다.
이 연구에 참여하지 않은 덴마크 기술 대학의 Asger Mortensen은 이들의 발견은 양자 플라즈마 이해를 위한 심오한 함축을 담고 있다고 말하였다. 이것은 금속의 표면 근처에서 플라즈마가 어떻게 전자-정공 쌍 생성에 관여하는지를 보여주는 연구인 것이다. 이 연구에 참여하지 않은 듀크 대학 물리학과 교수인 Maiken Mikkelsen는 양자 보정에 기반한 향상된 흡수의 발견은 기초 연구와 응용 기술에 모두 중요한 기여를 할 수 있을 것이라고 말하였다. 나노물질의 양자 특성을 이용하는 것은 차세대 기술 혁신에 중요하다고 그는 덧붙였다. 이들의 연구 결과는 "Quantum-Spillover-Enhanced Surface-Plasmonic Absorption at the Interface of Silver and High-Index Dielectrics”라는 제목으로 Physical Review Letters 저널에 발표되었다.
첨부그림: 다른 절연체 박막이 금이나 은과 같은 물질에 증착되면 색상이 변한다. 이런 색상 변화는 표면 플라즈몬을 통한 광흡수 때문이다.
Quantum process increases the number of electrons produced when light strikes a metal-dielectric interface
Researchers at MIT and elsewhere have found a way to significantly boost the energy that can be harnessed from sunlight, a finding that could lead to better solar cells or light detectors.
The new approach is based on the discovery that unexpected quantum effects increase the number of charge carriers, known as electrons and "holes," that are knocked loose when photons of light of different wavelengths strikes a metal surface coated with a special class of oxide materials known as high-index dielectrics. The photons generate what are known as surface plasmons—a cloud of oscillating electrons that has the same frequency as the absorbed photons
The surprising finding is reported this week in the journal Physical Review Letters by authors including MIT's Nicholas Fang, an associate professor of mechanical engineering, and postdoc Dafei Jin. The researchers used a sheet of silver coated with an oxide, which converts light energy into polarization of atoms at the interface.
"Our study reveals a surprising fact: Absorption of visible light is directly controlled by how deeply the electrons spill over the interface between the metal and the dielectric," Fang says. The strength of the effect, he adds, depends directly on the dielectric constant of the material—a measure of how well it blocks the passage of electrical current and converts that energy into polarization.
"In earlier studies," Fang says, "this was something that was overlooked."
Previous experiments showing elevated production of electrons in such materials had been chalked up to defects in the materials. But Fang says those explanations "were not enough to explain why we observed such broadband absorption over such a thin layer" of material. But, he says, the team's experiments back the newfound quantum-based effects as an explanation for the strong interaction.
The team found that by varying the composition and thickness of the layer of dielectric materials (such as aluminum oxide, hafnium oxide, and titanium oxide) deposited on the metal surface, they could control how much energy was passed from incoming photons into generating pairs of electrons and holes in the metal—a measure of the system's efficiency in capturing light's energy. In addition, the system allowed a wide range of wavelengths, or colors, of light to be absorbed, they say.
The phenomenon should be relatively easy to harness for useful devices, Fang says, because the materials involved are already widely used at industrial scale. "The oxide materials are exactly the kind people use for making better transistors," he says; these might now be harnessed to produce better solar cells and superfast photodetectors.
"The addition of a dielectric layer is surprisingly effective" at improving the efficiency of light harnessing, Fang says. And because solar cells based on this principle would be very thin, he adds, they would use less material than conventional silicon cells.
Because of their broadband responsiveness, Fang says, such systems also respond much faster to incoming light: "We could receive or detect signals as a shorter pulse" than current photodetectors can pick up, he explains. This could even lead to new "li-fi" systems, he suggests—using light to send and receive high-speed data.
N. Asger Mortensen, a professor at Danish Technical University who was not involved in this work, says this finding "has profound implications for our understanding of quantum plasmonics. The MIT work really pinpoints … how plasmons are subject to an enhanced decay into electron-hole pairs near the surface of a metal."
"Probing these quantum effects is very challenging both theoretically and experimentally, and this discovery of enhanced absorption based on quantum corrections represents an important leap forward," adds Maiken Mikkelsen, an assistant professor of physics at
Duke University who also was not involved in this work. "I think there is no doubt that harnessing the quantum properties of nanomaterials is bound to create future technological breakthroughs."
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