Aalto-yliopistossa kehitetty mustaan piihin pohjautuva uv-valoanturi on saavuttanut yli 130 prosentin hyötysuhteen.
Näin se ylitti ensimmäisenä maailmassa sadan prosentin rajan.
Sataa prosenttia on pidetty ulkoisen kvanttihyötysuhteen teoreettisena maksimina.
Tulos oli niin hyvä, etteivät tutkijat itsekään uskoneet sitä.
”Siksi päätimme heti, että se pitää saada vahvistettua riippumattomilla mittauksilla”, kertoo professori Hele Savin.
Ne suoritti Saksan kansallinen metrologian instituutti PTB, jonka mittauspalvelut ovat Euroopan tarkimpia ja luotettavimpia. Laitos vastaa muun muassa metrijärjestelmän määritelmistä ja sen valvonnasta.
Saksalaisinstituutti vahvisti suomalaistulokset.
Ennätyksen salaisuutena ainutlaatuinen nanorakenne
Sadan prosentin ulkoisessa kvanttihyötysuhteessa jokaisesta fotonista saadaan talteen yksi elektroni.
130 prosentin hyötysuhde tarkoittaa, että jokaisesta fotonista saadaan 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 sanoo.
Lopputuloksena ennätysherkät anturit
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 toimitusjohtaja, tekniikan tohtori Mikko Juntunen Elfys Oy:stä.
Elfys on Aalto-yliopiston spinoff-yritys, joka kaupallistaa ennätysantureita.
Aallon tutkimustuloksista kertova artikkeli on juuri hyväksytty julkaistavaksi Physical Review Letters -lehdessä otsikolla Black-silicon ultraviolet photodiodes achieve external quantum efficiency above 130%.
(Kuva: Wisa Förbom) Elektronit monistuvat vauhdilla, kun ultraviolettivalo törmää mustan piin nanorakenteeseen.
