Nyligen, av en slump, använde ett team av vetenskapsmän från det schweiziska federala tekniska institutet i Lausanne, Schweiz, och Tokyo Institute of Technology, Japan, ultrasnabba laserpulser från femtosekundlasrar för att bestråla atomer i telluritglas, och upptäckte omnämnandet av en fantastisk hemlighet .
Atomer av telluritglas bestrålade av femtosekundlasern omorganiserades, vilket gjorde det möjligt för forskarna att upptäcka ett sätt att förvandla telluritglas till halvledarmaterial. Varför är denna upptäckt fantastisk? Den främsta anledningen är att när halvledarmaterial utsätts för solljus genererar de elektricitet, vilket gör att det i framtiden kommer att vara möjligt att förvandla fönster i människors vardag till enmaterialsljusupptagnings- och avkänningsanordningar som utan tvekan har stor potential.
Experimentteamet från det schweiziska federala tekniska institutet i Lausanne, Schweiz, snubblade över bildandet av nanokristallina halvledande tellurfaser på glasets yta när de försökte förstå självorganiseringsprocessen i glas, vilket utlöste deras idé om att utforska möjliga fotokonduktiva egenskaper och ljusenergiskördande anordningar relaterade till dem, bland annat.
Forskarna gjorde upptäckten genom att modifiera glaset med hjälp av telluritglas producerat av kollegor vid Tokyo Institute of Technology och en femtosekundlaser och analysera effekterna.
Omvandlar telluritglas till en transparent ljusenergisamlare
Efter att ha etsat ett enkelt mönster av linjer på ytan av telluritglas med en diameter på 1 cm, ledde detta till upptäckten att glaset kunde generera elektriska strömmar som varade i månader när det exponerades för ultravioletta och synliga spektrum.
Så hur gör en femtosekundlaser detta? Det börjar med principen om femtosekundlaserbehandling.
Femtosekundlaserbehandling är en avancerad bearbetningsteknik baserad på en olinjär absorptions- och joniseringsmekanism med flera foton. När en femtosekundsljuspuls appliceras på ytan av ett material eller på insidan av ett transparent material, är ljuspulsens verkningsyta extremt litet på grund av den extremt korta varaktigheten av ljuspulsen (femtosekundnivån), medan ljusintensiteten är extremt hög. I detta fall hinner inte laserpulsens energi färdas runt aktionspunkten, så att verkan eller bearbetning av ljuspulsen är över på mycket kort tid.
Denna extremt korta verkanstid tillåter att laserpulsens energi absorberas av materialet huvudsakligen genom en icke-linjär absorptionsprocess, istället för den konventionella linjära absorptionen av fotonenergi. På grund av den icke-linjära absorptionen ackumuleras inte laserpulsens energi av materialet i form av värme och därför är värmen som genereras nästan försumbar.
Eftersom mycket lite värme genereras, finns det praktiskt taget ingen termisk skada på materialet som bearbetas, vilket är en stor fördel med femtosekundlaserbehandling. Denna typ av bearbetning undviker värmeöverföringseffekten, vilket resulterar i mycket högre precision och resultat.
Det är just för att femtosekundlaserbearbetning utlöser ett lokaliserat joniseringsfenomen som utlöses av multifotonabsorptionsprocessen, som förstärks ytterligare av efterföljande kaskadhändelser som lavin och/eller tunneljonisering.
Enkelt uttryckt, när den inre strukturen hos ett material är störd och det är i ett tillstånd, har förutsättningar skapats för rekombinanta materialfaser som är mer stabila jämfört med deras initialt substabila (glasartade eller icke-glasartade) motsvarigheter.
När det gäller telluritglas, eftersom dess struktur förändras vid exponering för en femtosekundlaser, bildas frön som består av kluster av telluratomer och växer så småningom till tellurit nanokristaller när glasfasen bryts ner.
Materialet leder till en början inte elektricitet och kan inte samla fotoner, men när det väl har transformerats med en femtosekundlaser är dess lokala beteende helt annorlunda.
Vad som också är häpnadsväckande är att detta arbete inte kräver en mängd olika material att tillverka, utan bara använder lasern för att lokalt ändra materialet så att den förändrade regionen beter sig annorlunda än originalmaterialet. Den låga kostnaden och enkelheten att använda en laser gör den skalbar till vilken typ/storlek av substrat som helst, helt enkelt genom att skanna laserstrålen över materialets yta.
Det finns fortfarande problem som måste förstås, och det finns fortfarande en process att följa för att förbättra enhetens prestanda och ta konceptet från experimentell till industriell implementering.
En av de stora utmaningarna är hur man ser till att det förbättrade området som absorberar ljus också är ett område som är osynligt för blotta ögat, så att fönstret bibehåller sin funktionalitet, samtidigt som det låter människor se tydligt genom glaset till utsidan och det är estetiskt tilltalande.
I detta skede har dock vissa potentiella fotoniktillämpningar som kräver arbete som att detektera och kvantifiera närvaron av ljus vid specifika våglängder eller spektralområden kunnat dra nytta av detta.
