Je leest:

Dun materiaal als ideale lichtvanger

Dun materiaal als ideale lichtvanger

Auteur: | 25 juni 2009

Leidse onderzoekers ontdekten dat een flinterdunne laag niobiumnitride bijna perfect licht absorbeert. Dat maakt de weg vrij voor detectoren die met grote precisie losse fotonen kunnen meten – een opsteker voor de telecommunicatie. Maar ook voor zonnecellenbouwers is de ontdekking interessant.

Superprecieze stralingsdetectoren en ideale zonnecellen moeten erg goed zijn in licht opvangen. Tot nu toe is dat altijd heel moeilijk gebleken: materialen die een bepaalde kleur licht heel goed absorberen, kaatsen andere kleuren vaak terug. De Leidse onderzoekers Eduard Driessen en Michiel de Dood vonden een flinterdun materiaal dat het voor alle kleuren goed lijkt te doen – als het licht tenminste de goede polarisatie en de juiste hoek van inval heeft. Het materiaal is helaas niet geschikt voor zonnecellen, maar er liggen een aantal mooie toepassingen in het verschiet. Dat de ontdekking van Driessen en De Dood bijzonder is, blijkt ook uit de downloadcijfers van het tijdschrift Applied Physics Letters, waarin hun artikel gepubliceerd is: het staat in de top 20 van meest gedownloade artikelen van deze maand.

Niobium is een element met symbool Nb en atoomnummer 41. Het is een glanzend grijsblauw overgangsmetaal.
American Elements

Onderzoekers Driessen en De Dood kwamen bij toeval op het spoor van het materiaal. Samen met collega’s van de TU Delft werkten ze aan een detector die losse lichtdeeltjes (fotonen) moest detecteren. Die detector was van niobiumnitride (NbN) gemaakt, en zijn efficiëntie bleek heel sterk af te hangen van de polarisatie van het licht dat de onderzoekers gebruikten. Uit berekeningen bleek bovendien dat het materiaal zich wel heel wonderlijk zou gedragen als de hoek waaronder het licht invalt wordt gevarieerd – reden voor een nieuw experiment om eens te kijken of die berekening klopte.

h3. Polarisatie De polarisatie van het licht kan je zien als de trillingsrichting. Het meeste licht om ons heen bestaat uit allerlei verschillende polarisaties, maar lichtbronnen zoals lasers kunnen een bundel uitzenden die bestaat uit in één richting trillend licht. Ook in de natuur komt gepolariseerd licht voor: zonlicht dat op waterplassen kaatst bestaat bijvoorbeeld grotendeels uit in één richting gepolariseerd licht, waar in polaroidzonnebrillen handig gebruik van wordt gemaakt.

Volgens de berekening zou een laagje van 4,5 nanometer (een twintigtal atomen) dik NbN op een substraat van saffier al het licht absorberen dat binnenvalt onder een hoek van 35 graden. Dat betekent dus dat er niets terugkaatst: de energie wordt allemaal omgezet naar warmte in het materiaal. “Het effect, met een dramatisch verschil tussen de twee polarisaties, hebben we vrij snel gezien met een laser pointer en een prisma op een plaatje saffier dat bekleed is met een dunne laag NbN,” vertelt Michiel de Dood. “Om het ook netjes te meten heeft natuurlijk meer tijd gekost.”

Een dunne laag NbN absorbeert licht met de goede polarisatie het beste als het onder een hoek van 35 graden binnenvalt. Licht met de tegenovergestelde polarisatie wordt daar juist helemaal teruggekaatst.
Universiteit Leiden

Het bijzondere van dit materiaal is dat het alle kleuren licht perfect kan absorberen. In de dunne laag NbN weerkaatst het opgevangen licht een aantal keer, waarbij het niet meer naar buiten kan ontsnappen. Dat gaat voor een breed bereik van zichtbaar en infrarood licht goed. Er bestaan wel meer ‘ideale absorbeerders’, maar die zijn vaak heel kieskeurig: ze absorberen maar een klein deel van het spectrum en kaatsen de rest terug.

Vanwege de veelzijdigheid van het nieuwe materiaal kan het goed worden ingezet om hele kleine hoeveelheden licht van willekeurige kleuren mee te detecteren. “Daarvoor koel je een draad van NbN af met vloeibaar helium, zodat hij supergeleidend wordt. Dan stuur je er een stroom doorheen die nèt onder de kritische stroom ligt – dat is de stroomsterkte waarop de draad weer ‘normaal’ wordt in plaats van supergeleidend. Als je nu 1 enkel foton opvangt wordt de draad lokaal iets warmer en wordt het NbN ‘normaal’. Dan is er een spanning over de draad te meten, en weet je dat je een foton hebt gevonden.” De detectie is wel afhankelijk van de polarisatie van het licht, maar dat is eenvoudig op te lossen door twee detectoren gekruist tegenover elkaar te plaatsen. Als de ene detector de polarisatie terugkaatst, zal de andere dat lichtdeeltje juist absorberen.

Een detector van NbN op saffier ziet er zo uit: een dunne draad die over een plaatje heen en weer slingert. Een enkel foton zal de draad dan van een supergeleidende toestand naar een normaal geleidende toestand brengen, waardoor je een spanning over de draad detecteert.
Universiteit Leiden

Voor zonnecellen is het flinterdunne materiaal helaas niet geschikt, omdat het geabsorbeerde licht wordt omgezet in warmte in plaats van stroom. “Om een zonnecel te maken met onze vinding moeten we een halfgeleider vinden met vergelijkbare optische eigenschappen als NbN,” legt Michiel de Dood uit. “We hebben natuurlijk gezocht, maar tot nu toe geen geschikt materiaal gevonden.” Als dat toch lukt, is het waarschijnlijk ook mogelijk om grote oppervlakken te bekleden met het dunnelaagsmateriaal. Wel moeten we dan op zoek naar een stof die ook op een substraat van bijvoorbeeld glas goed werkt, want het saffier dat nu gebruikt wordt is voor het kostenplaatje niet zo’n goede keuze.

Bron: The perfect absorber, E.F.C. Driessen en M.J.A. de Dood, Appl. Phys. Lett. 94, 171109 (2009)

Zie verder:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 25 juni 2009

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.