Een nieuw kristallijn materiaal moet zorgen voor snellere computers, sneller internet en efficiëntere zonnecellen.
Het nieuwe materiaal, erbiumchloorsilicaat, is ontwikkeld aan de Arizona State University. Het is een fotonisch materiaal: het kan lichtdeeltjes absorberen en uitzenden. Volgens hoogleraar Cun-Zheng Ning lost dit materiaal het probleem op van bestaande optische materialen, namelijk dat de concentratie aan erbiumatomen te gering is. Als aan die materialen te veel erbium wordt toegevoegd, gaan de atomen zich groeperen en boet het materiaal aan lichtdoorlaatbaarheid in.
Erbium is een zeldzaam-aardmetaal. Omdat erbiumatomen fotonen absorberen en uitzenden met een golflengte van ongeveer 1,5 micrometer, ofwel in het infrarode gebied van het spectrum, vormen ze een populair bestanddeel van bijvoorbeeld optische vezels. Geringe concentraties aan erbium volstaan om in een dergelijke vezel een infrarood lichtsignaal te versterken. Niettemin moet een vezel relatief lang zijn wil een signaal voldoende worden versterkt. Bij de combinatie van optische signalen met de halfgeleidertechnologie op een chip is dat lastig.
Lichtschakelaar
Ning en zijn groep maken kristallen van erbiumchloorsilicaat in de vorm van een nanodraad, zo laten ze zien in Optical Materials Express. Ze probeerden erbiumatomen te integreren met nanodraden van silicium. Er ontstond echter een ander materiaal en pas na een jaar beseften de onderzoekers dat ze een nieuw kristallijn materiaal hadden gemaakt. De concentratie aan erbiumatomen is in het nieuwe materiaal duizendmaal hoger dan bij de gebruikelijke erbiumhoudende optische materialen. Dat maakt de integratie van lichtsignalen met micro-elektronica gemakkelijker, denkt Ning.
De elektronenstructuur van een erbiumatoom maakt het een zeer aparte lichtschakelaar. Zo kan een atoom ultraviolette fotonen absorberen en vervolgens uitzenden als zichtbaar licht, met een langere golflengte en minder energie. Anderzijds kan een erbiumatoom de geabsorbeerde energie van twee infrarode fotonen combineren tot één enkel foton met een kortere golflengte en dus meer energie. Siliciumzonnecellen kunnen daardoor profiteren van het nieuwe materiaal. De toevoeging van kristallen erbiumchloorsilicaat zorgt dat de zonnecellen voor hun energieomzetting niet beperkt blijven tot licht met een golflengte kleiner dan 1,1 micrometer, maar ook de warmtestraling met een langere golflengte kunnen omzetten in elektriciteit.
Erick Vermeulen
