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Maximizar los excitones como portadores de energía

Maximizar los excitones como portadores de energía

Foto: Kyosang Lee en su laboratorio de dispositivos de película delgada en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia.
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Crédito: Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la UVA

En el ejército de EE. UU., el uso de sensores puede marcar la diferencia entre la vida o la muerte y el éxito o el fracaso en el campo de batalla. En la vida cotidiana, los sensores juegan un papel indispensable en nuestra salud y seguridad.

Los sensores fotovoltaicos, aquellos que utilizan la física de las partículas de luz para interactuar con los electrones y producir una hermosa imagen de televisión, permiten que un soldado vea la radiación en la noche o detecte la radiación invisible, dependen de materiales semiconductores para funcionar. La búsqueda de optoelectrónica con un rendimiento mejorado y una nueva funcionalidad radica en encontrar nuevos semiconductores que no sean de silicio que puedan ampliar las capacidades existentes.

kyosang leeprofesor asistente de ingeniería eléctrica e informática y ciencia e ingeniería de materiales en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia, ya es conocido por integrar Operaciones innovadoras Para el desarrollo de semiconductores con propiedades personalizables. Ahora, Lee ha recibido un prestigioso premio de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea por investigar nuevos y prometedores sistemas de materiales semiconductores.

Su enfoque consiste en construir una «heteroestructura de dimensiones mixtas», es decir, unir materiales semiconductores 2D y 3D utilizando técnicas en las que ha sido pionero en los últimos años. Un sistema material diseñado de esta manera tiene el potencial de detectar de manera eficiente una amplia gama de frecuencias en el espectro electromagnético, incluidos los rayos ultravioleta, la luz visible y el infrarrojo, que son de interés para la Fuerza Aérea, dijo Lee.

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Antes de que pueda aprovechar este potencial, necesita comprender las propiedades ópticas y electrónicas de la heteroestructura, específicamente, cómo las cargas eléctricas y la energía se mueven a través de la unión bidimensional y tridimensional a través de un «excitón de transporte de carga híbrido».

Los excitones son cuasipartículas, lo que significa que no son partículas reales como fotones, electrones y neutrones, que tienen sus propias propiedades funcionales, una de las cuales es la capacidad de transferir energía sin una carga eléctrica neta. Los excitones ya se usan ampliamente en productos cotidianos, como pantallas de teléfonos celulares y televisores. Pero la clave para hacer un uso completo de sus habilidades es una comprensión profunda de su ciencia básica.

La primera tarea de Lee bajo el premio del Programa de Investigación de Jóvenes Investigadores de $ 450,000 de tres años es describir la física cuántica, o mecanismos de nivel atómico, de las heterouniones que propuso basándose en varios materiales semiconductores existentes. Para lograrlo, desarrollará un modelo teórico que prediga el comportamiento de los excitones a través de estas uniones.

La siguiente fase del proyecto requiere la fabricación de heteroestructuras de dimensiones mixtas, que utilizará para validar o modificar las predicciones del modelo cuántico. Lo que Lee aprende sobre la energía de los excitones puede eventualmente aplicarse para diseñar una amplia gama de tecnologías de detección optoelectrónica.

Lo que espera descubrir es que las propiedades naturales de los excitones como portadores de energía, junto con las propiedades de las heteroestructuras de dimensiones mixtas, conducirán a sistemas de alta eficiencia energética que son muy buenos para detectar y emitir luz para cubrir amplias regiones en el campo electromagnético. espectro.

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«Al usar esta estructura geométrica, que no existe naturalmente», dijo Lee, «creo que podemos sintonizar y usar estos excitones de manera eficiente». «Estoy tratando de encontrar estructuras de ingeniería y mecanismos físicos usando una mezcla de materiales 2D y 3D que puedan usar estos excitones para dispositivos optoelectrónicos de propósito general. Este es el alcance principal del proyecto».

Las principales ventajas de las heteroestructuras de Li, y los procesos que utilizará para construirlas, son la eficiencia energética y el ahorro de costes para que la próxima generación de dispositivos optoelectrónicos sea asequible. Tecnologías líderes en la fabricación de semiconductores, denominadas Epitaxia remota, transferencia bidimensional y división de capas – narrado en naturalezaY Nanotecnología de la naturalezaY Avances de la ciencia y otras revistas.

Lee tiene una licenciatura y una maestría de la Universidad de Corea y la Universidad Johns Hopkins, respectivamente, y un doctorado. en Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación en la Universidad de Michigan. Comenzó a trabajar en la telesolidificación, un método para hacer crecer un material semiconductor cristalino en un sustrato, y en la interconexión de estructuras 2D y 3D como becario postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.

El premio de la Fuerza Aérea no es el primer premio de Joven Investigador de Lee desde que llegó a la UVA. en 2020Recibió un premio CARRERA de la Fundación Nacional de Ciencias por un proyecto de Ingeniero equivalente del ojo humano que también utiliza sus propias técnicas de síntesis.

Gran parte de la investigación de Lee gira en torno a la ciencia básica, pero es el vínculo entre la ciencia y la tecnología lo que lo impulsa: la esperanza de ver eventualmente que su investigación se traduzca en productos.

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Su investigación puede ser de gran alcance, dice Scott Acton, presidente del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de Charles L. Brown en la UVA.

«La investigación de Kyosang sobre los excitones tiene el potencial de hacer mejores transistores, el bloque de construcción de una computadora, hacer células solares más eficientes, desentrañar los misterios de la computación cuántica y mejorar las imágenes», dijo Acton.


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