Επιστήμονες με καινούριο τρόπο ανίχνευσης παρακολουθούν τα θετικά φορτία (οπές) και την παγίδευσή τους σε ηλιακά υλικά

Τα οξείδια μετάλλων μετάπτωσης, όπως το οξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO), είναι στο κέντρο της πρόσφατης δραστηριότητας στην έρευνα και στην εξέλιξη της μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική (φωτοβολταϊκά) ή σε χημικές μορφές (φωτοκαταλύτες), αλλά επίσης και εφαρμογών όπως οι ανιχνευτές ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας. Όλες αυτές οι εφαρμογές βασίζονται στη δημιουργία αρνητικών (ηλεκτρόνια) και θετικών (οπές) φορτίων και η κατανόηση της εξέλιξής τους ως συνάρτηση του χρόνου είναι κρίσιμο για της εφαρμογές αυτές.

Ενώ τα ηλεκτρόνια ανιχνεύονται με ποικίλες τεχνικές, οι οπές μέχρι τώρα έχουν διαφύγει από την παρατήρηση. Πίσω από αυτό βρίσκονται διάφορες αιτίες: το σήμα των οπών είναι δυσδιάκριτο δίπλα σε αυτό των ηλεκτρονίων και/ή οι στρατηγικές επιλεγμένου στοιχείου δεν μπορούν να εφαρμοστούν επειδή απαιτούν εργασία κάτω από κενό, δηλαδή σε συνθήκες που είναι μακριά από αυτές της πράξης, π.χ. η φάση διαλύματος.

Το εργαστήριο του Majed Chergui στο EPFL, στο Κέντρο για την Υπερταχεία Επιστήμη στη Λωζάνη, μαζί με επιστήμονες από το Ινστιτούτο Paul-Scherrer και το Εθνικό Εργαστήριο Argonne, του Πανεπιστημίου του Σικάγου, έχουν τώρα με επιτυχία ανιχνεύσει οπές και προσδιόρισαν τις θέσεις εγκλωβισμού τους μετά τη φωτοδιέγερση του επάνω άκρου της ζώνης του διάκενου με χρήση χρονικών αναλύσεων των τεχνικών επιλεγμένου στοιχείου. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα καινοτόμο φασματόμετρο διασποράς της εκπομπής ακτίνων Χ, που συνδυάζονταν με φασματοσκοπία απορρόφησης ακτίνων-Χ. Η τεχνική τους επέτρεψε να ανιχνεύσουν άμεσα τον εγκλωβισμό των οπών με μια ανάλυση των 80 πικοδευτερολέπτων (1 πικοδευτερόλεπτο είναι ισοδύναμο με ένα εκατομμυριοστό του εκατομμυριοστού του ενός δευτερολέπτου).

Δομικές αλλαγές. (a) Σχηματικά η δομή του ZnO χωρίς την κενή θέση οξυγόνου, που είναι η κυρίαρχη δομή που διερευνάται στη βασική κατάσταση, και (b) δομική παραμόρφωση γύρω από την κενή θέση Vo(2+), η οποία συμβαίνει από την παγίδευση μιας οπής σε μια κενή θέση Vo(+) και την σχετική προς τα έξω μετατόπιση των τεσσάρων πλησιέστερων γειτονικών ατόμων Zn (Zn 1-4) κατά 15%.

Τα δεδομένα, που υποστηρίχθηκαν από προσομοιώσεις υπολογιστή, αποκάλυψαν ότι οι φωτοδιεγερμένες οπές παγιδεύτηκαν στο υπόστρωμα σε μεμονωμένες φορτισμένες κενές θέσεις οξυγόνου. Η παγιδευμένη οπή μετατρέπει τις κενές θέσεις σε διπλά φορτισμένες κενές θέσεις , που γίνονται αιτία τέσσερα άτομα ψευδαργύρου γύρω τους να κινηθούν προς τα έξω κατά 15% περίπου. Στη συνέχεια ο οπές-παγίδες ανασυνδυάζονται με τα μετεγκατεστημένα ηλεκτρόνια της ζώνης αγωγιμότητας με ακτινοβολία, η οποία δημιουργεί την πράσινη φωταύγεια που συνήθως ανιχνεύεται όταν το ZnO χρησιμοποιείται ως ανιχνευτής ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας.

Ο εντοπισμός των οπών-παγίδων και η εξέλιξή τους ανοίγει νέους δρόμους στη σκέψη για την ανάπτυξη στο μέλλον συσκευών και νανοσυσκευών που βασίζονται σε οξείδια μετάλλων σε μετάπτωση. «Αυτή είναι μόνο η αρχή», αναφέρει ο Majed Chergui. «Με την λειτουργία του νέου Ελβετικού λέιζερ ακτίνων-Χ ελεύθερων ηλεκτρονίων, το SwissFEL στο Ινστιτούτο Paul-Scherrer, μια νέα εποχή ανοίγει μπροστά μας».