Kürzlich nutzte ein Team von Wissenschaftlern der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne (Schweiz) und des Tokyo Institute of Technology (Japan) durch Zufall ultraschnelle Laserpulse eines Femtosekundenlasers, um Atome in Telluritglas zu bestrahlen, und entdeckte die Erwähnung einer überraschenden Entdeckung Geheimnis.
Durch den Femtosekundenlaser bestrahlte Telluritglasatome organisierten sich neu und ermöglichten es Wissenschaftlern, einen Weg zu finden, Telluritglas in Halbleitermaterialien umzuwandeln. Warum ist diese Entdeckung erstaunlich? Der Hauptgrund liegt darin, dass Halbleitermaterialien, wenn sie dem Sonnenlicht ausgesetzt werden, Strom erzeugen, was bedeutet, dass es in Zukunft möglich sein wird, Fenster im täglichen Leben der Menschen in Lichtsammel- und Sensorgeräte aus einem einzigen Material zu verwandeln, die zweifellos großes Potenzial bergen.
Das Experimentalteam der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne (EPFL), Schweiz, stieß auf die Bildung von halbleitenden nanokristallinen Tellurphasen auf Glasoberflächen, als es versuchte, Selbstorganisationsprozesse in Glas zu verstehen, was die Idee zur Erforschung möglicher Phänomene hervorbrachte fotoleitende Eigenschaften und damit verbundene Lichtsammelgeräte.
Die Forscher machten die Entdeckung, indem sie das Glas modifizierten und die Auswirkungen mithilfe von Telluritglas analysierten, das von Kollegen am Tokyo Institute of Technology in Japan hergestellt wurde, und eines Femtosekundenlasers.
Nach dem Ätzen eines einfachen Linienmusters auf der Oberfläche von Telluritglas mit einem Durchmesser von 1-cm wurde entdeckt, dass das Glas elektrische Ströme erzeugen konnte, die bei Bestrahlung im ultravioletten und sichtbaren Spektrum monatelang anhielten.
Wie macht das ein Femtosekundenlaser? Es beginnt mit dem Prinzip der Femtosekunden-Laserbearbeitung.
Die Femtosekunden-Laserbearbeitung ist eine fortschrittliche Bearbeitungstechnologie, die auf einem nichtlinearen Multiphotonen-Absorptions- und Ionisationsmechanismus basiert. Wenn ein Femtosekunden-Lichtimpuls auf die Oberfläche eines Materials oder in das Innere eines transparenten Materials einwirkt, ist der Wirkungsbereich des Lichtimpulses aufgrund der extrem kurzen Dauer des Lichtimpulses (Femtosekunden-Niveau) extrem klein, während die Die Lichtintensität ist extrem hoch. In diesem Fall hat die Energie des Laserpulses keine Zeit, den Einwirkungspunkt zu umrunden, so dass die Einwirkung bzw. Verarbeitung des Lichtpulses in sehr kurzer Zeit beendet ist.
Diese extrem kurze Einwirkzeit ermöglicht, dass die Energie des Laserpulses vom Material hauptsächlich durch einen nichtlinearen Absorptionsprozess absorbiert wird, anstelle der herkömmlichen linearen Absorption von Photonenenergie. Aufgrund der nichtlinearen Absorption wird die Energie des Laserpulses nicht in Form von Wärme im Material gespeichert und die erzeugte Wärme ist daher nahezu vernachlässigbar.
Da nur sehr wenig Wärme entsteht, kommt es praktisch zu keiner thermischen Schädigung des bearbeiteten Materials, was ein großer Vorteil der Femtosekunden-Laserbearbeitung ist. Diese Art der Bearbeitung vermeidet den Wärmeübertragungseffekt, was zu einer wesentlich höheren Präzision und Ergebnissen führt.
Dies liegt genau daran, dass die Femtosekunden-Laserbearbeitung ein lokalisiertes Ionisationsphänomen auslöst, das durch den Multiphotonenabsorptionsprozess ausgelöst wird und durch nachfolgende Kaskadenereignisse wie Lawinen- und/oder Tunnelionisation weiter verstärkt wird.
Einfach ausgedrückt: Wenn die innere Struktur eines Materials gestört ist und es sich in einem Zustand befindet, sind die Bedingungen für rekombinante Materialphasen geschaffen, die im Vergleich zu ihren ursprünglich substabilen (glasigen oder nicht glasigen) Gegenstücken stabiler sind.
Im Fall von Telluritglas bilden sich, wenn sich seine Struktur bei Einwirkung eines Femtosekundenlasers ändert, Keime, die aus Clustern von Telluratomen bestehen, und wachsen schließlich zu Tellurit-Nanokristallen heran, wenn die Glasphase zerfällt.
Das Material leitet zunächst keinen Strom und ist nicht in der Lage, Photonen zu sammeln. Doch sobald es mit einem Femtosekundenlaser transformiert wird, verhält es sich lokal völlig anders.
Erstaunlich ist auch, dass für diese Arbeit keine verschiedenen Materialien zur Herstellung erforderlich sind, sondern einfach der Laser verwendet wird, um das Material lokal zu verändern, sodass sich der veränderte Bereich anders verhält als das ursprüngliche Material. Die geringen Kosten und die Einfachheit der Verwendung eines Lasers machen ihn auf jede Art/Größe von Substraten skalierbar, indem einfach der Laserstrahl über die Oberfläche des Materials gescannt wird.
Es gibt immer noch Forschungsprobleme, die eingehend geklärt werden müssen, und es muss noch ein Prozess durchlaufen werden, um die Leistung des Geräts zu verbessern und das Konzept vom Experiment zur industriellen Landung zu bringen.
Eine der großen Herausforderungen besteht darin, sicherzustellen, dass die verbesserten Bereiche, die Licht absorbieren, auch Bereiche sind, die für das bloße Auge unsichtbar sind, damit das Fenster seine Funktionalität beibehält und den Menschen gleichzeitig eine klare Sicht durch das Glas nach außen ermöglicht und das Glas ästhetisch bleibt erfreulich.
Allerdings konnten in diesem Stadium einige potenzielle Photonikanwendungen, die Arbeit erfordern, wie die Erkennung und Quantifizierung des Vorhandenseins von Licht bei bestimmten Wellenlängen oder Spektralbereichen, davon profitieren.
