Aallossa kehitetty musta valoanturi ylitti ensimmäisenä maailmassa 100 prosentin hyötysuhteen

Aalto-yliopiston tutkijoiden kehittämä, mustaan piihin pohjautuva UV-valoanturi on saavuttanut yli 130 prosentin hyötysuhteen. Samalla se ylitti ensimmäisenä maailmassa 100 prosentin rajan, jota on tähän asti pidetty ulkoisen kvanttihyötysuhteen teoreettisena maksimina.

”Tulos oli niin hyvä, ettemme itsekään meinanneet ensin uskoa sitä. Siksi päätimme heti, että se pitää saada vahvistettua riippumattomilla mittauksilla”, Elektronifysiikan tutkimusryhmää vetävä professori Hele Savin kertoo.

Mittaukset suoritti Euroopan tarkimpia ja luotettavimpia mittauspalveluja tarjoava Saksan kansallinen metrologian instituutti, Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB, joka vastaa muun muassa metrijärjestelmän määritelmistä ja sen valvonnasta.

“Mittaustulokset nähtyäni tajusin välittömästi, että kyseessä oli merkittävä läpimurto – ja samalla myös tervetullut edistysaskel meille herkistä sensoreista unelmoiville metrologeille”, sanoo Lutz Werner, PTB:n säteilyilmaisinlaboratorion johtaja.

Ennätyksen salaisuus: ainutlaatuinen nanorakenne

100 prosentin ulkoisessa kvanttihyötysuhteessa jokaisesta fotonista saadaan talteen yksi elektroni. 130 prosentin hyötysuhde tarkoittaa, että jokaisesta fotonista saadaankin ulkoiseen virtapiiriin keskimäärin 1,3 elektronia.

Tutkijat osoittivat, että suuren ulkoisen kvanttihyötysuhteen salaisuus on niin sanottu korkeaenergisten fotonien aiheuttama elektronien monistuminen, joka tapahtuu mustasta piistä tehtyjen nanorakenteiden sisällä. Ilmiötä ei ole aiemmin havaittu kokeellisesti, sillä tavallisesti erilaiset optiset ja sähköiset häviömekanismit ovat peittäneet sen alleen.

”Käyttämämme häviöttömän nanorakenteen ansiosta signaalin vahvistusta ei tarvita, vaan kaikki monistuneet elektronit saadaan onnistuneesti talteen ilman erillistä ulkoista sähkökenttää”, Savin kertoo.

Käytännössä ennätyshyötysuhde tarkoittaa ennätysherkkiä antureita, jotka parantavat merkittävästi minkä tahansa valon mittaamista hyödyntävän laitteen suorituskykyä. Valon mittaamista hyödynnetään jo nyt laajasti esimerkiksi autoissa, matkapuhelimissa, älykelloissa ja lääketeknologian laitteissa.

”Herkille UV-valomittareille on paljon kysyntää esimerkiksi biotekniikan sovelluksissa ja teollisuusprosessien valvonnassa”, kertoo ennätysantureita kaupallistavan, Aallosta ponnistaneen Elfys Oy:n toimitusjohtaja TkT Mikko Juntunen.

Ennätyshyötysuhteeseen johtaneet tulokset on juuri hyväksytty julkaistavaksi arvostetussa Physical Review Letters -tiedelehdessä otsikolla Black-silicon ultraviolet photodiodes achieve external quantum efficiency above 130%.