Плотный массив нанопроволок, выращенных непосредственно на графене. На вставках показано СЭМ-изображение массива с большим увеличением и СТЭМ-изображение одиночной аксиально гетероструктурированной нанопроволоки InGaAs / InAs.Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне достигли нового уровня производительности для массивов нанопроволок без семян и подложки из класса материалов, называемых III-V (три-пять), непосредственно на графене.
Эти сложные полупроводники особенно перспективны для приложений, связанных со светом, таких как солнечные элементы или лазеры.«За последние два десятилетия исследования в области полупроводниковых нанопроволок помогли изменить наше понимание сборки кристаллов в атомном масштабе и раскрыть новые физические явления в нанометровом масштабе», — пояснил Сюлин Ли, профессор электротехники и вычислительной техники в Иллинойсе. . В выпуске Advanced Materials от 20 марта исследователи представляют первый отчет о новой архитектуре солнечных элементов, основанной на плотных массивах коаксиальных нанопроволок InGaAs с p-n-переходом на стержнях InAs, выращенных непосредственно на графене без каких-либо металлических катализаторов или литографического рисунка.«В этой работе мы преодолели удивительную структуру (фазовую сегрегацию), успешно вырастили однофазный InGaAs и продемонстрировали очень многообещающие характеристики солнечных элементов», — пояснил первый автор исследования, доктор наук Парсиан Мохсени.«В зависимости от материалов нанопроволоки могут использоваться в функциональной электронике и оптоэлектронике», — добавил Мохсени. «Основные преимущества этой конструкции фотоэлектрических солнечных элементов III-V заключаются в том, что она является довольно недорогой, не требует использования подложки и имеет встроенный задний боковой контакт, а также способствует интеграции в другие гибкие платформы устройств».
Исследовательская группа Ли использует метод, называемый эпитаксией Ван-дер-Ваальса, для выращивания нанопроволок снизу вверх на двумерном листе, в данном случае графене. Газы, содержащие галлий, индий и мышьяк, закачиваются в камеру, где находится графеновый лист, вызывая самосборку нанопроволок, которые сами по себе вырастают в плотный ковер из вертикальных проводов на поверхности графена.В своей более ранней работе (Nano Letters 2013) с использованием листа графена исследователи обнаружили, что проволока InGaAs, выращенная на графене, спонтанно разделяется на сердечник из арсенида индия (InAs) с оболочкой из InGaAs вокруг внешней стороны проволоки.
Чтобы повысить эффективность материалов для преобразования солнечной энергии, исследователи обошли уникальную ван-дер-ваальсовую эпитаксию, вызванную спонтанной фазовой сегрегацией, вставив между ними сегменты InAs. Полученные тройные массивы InGaAs NW являются вертикальными, не сужающимися, регулируемыми по размеру, высоте и легированию, а также широко настраиваемым по составу, таким образом, энергия для монолитной гетерогенной интеграции с 2D-листами Ван-дер-Ваальса, включая графен.При глобальном солнечном освещении с воздушной массой 1,5 массивы нанопроволок In0.25Ga0.75As (Eg ~ 1.1 eV) ядро-оболочка на графене демонстрируют эффективность преобразования 2,51%, что представляет собой новый рекорд для без подложки, на основе III-V NW. солнечные батареи.«Хотя InGaAs далек от оптимального материала с шириной запрещенной зоны для высокоэффективных солнечных элементов, установленная здесь прямая эпитаксия на графеновой платформе имеет важные последствия для широкого спектра солнечных элементов на основе полупроводниковых соединений III-V на основе NW на графене, а также для излучателей света. и многопереходные тандемные солнечные элементы, каждый из которых может быть выпущен для гибкого применения », — сказал Ли.
Помимо Ли и Мохсени, соавторами статьи вместе с профессорами Ангусом Рокеттом и Джоном А. Роджерсом были постдокторант Ашкан Бехнам и аспиранты Джошуа Вуд, Сян Чжао, Нин С. Ван и Ки Джун Юй (материалы наука), Джозеф В. Лайдинг (электротехника и компьютерная инженерия) и Эрик Поп из Стэнфордского университета. Ли также связан с Лабораторией микро- и нанотехнологий, Лабораторией исследования материалов Фредерика Зейтца и Институтом передовых наук и технологий Бекмана в Иллинойсе.