Ett ljusblixt som bara varar en bråkdel av en millisekund kan förändra hur atomerna ligger ordnade i ett halvledarmaterial – utan att den känsliga ytan under hinner bli varm.
Forskare vid Hebrew University of Jerusalem har använt extremt snabb ljusuppvärmning för att skapa en kristallstruktur som genererade upp till 50 gånger mer elektrisk ström från ljus än materialets vanliga form.
Metoden kan bli intressant för bland annat solenergi, fotokatalys och avancerad elektronik eftersom den gör det möjligt att bearbeta material vid temperaturer som normalt skulle förstöra glas, ledande beläggningar och andra känsliga underlag.
Nästan 2 000 grader – men glaset höll sig under 100
Vid experimentet värmdes ett tunt lager av halvledarmaterialet vismutoxid till nästan 2 000 °C.
Samtidigt låg temperaturen hos glasskivan under materialet på mindre än 100 °C.
Skillnaden är svår att åstadkomma med vanliga ugnar.
När ett material värms i en ugn blir både själva beläggningen och underlaget gradvis varma. Transparent ledande glas av den typ som används i bland annat solceller och pekskärmar klarar normalt inte temperaturer mycket över 500–600 °C.
Det har gjort många högtemperaturprocesser omöjliga att använda direkt på sådana ytor.
Uppvärmning med upp till tio miljoner grader per sekund
Forskarna använde i stället en metod som kallas flash photonic heating.
Ett extremt kraftigt vitt ljus skickas mot det tunna materiallagret. Principen påminner om en kamerablixt, men ljuspulsen är mycket kraftigare och exakt kontrollerad.
Pulserna varade från ungefär 0,1 millisekund till några få millisekunder.
Under den korta tiden kunde materialet värmas med hastigheter på upp till omkring:
10 miljoner grader Celsius per sekund.
Det tunna halvledarlagret absorberar ljuset och blir extremt varmt nästan omedelbart. Glassubstratet reagerar däremot betydligt långsammare och hinner därför aldrig nå samma temperatur innan pulsen är över och materialet börjar svalna igen.
Samma ämne kan ha helt olika egenskaper
Studien bygger på ett fenomen som kallas polymorfism.
Ett och samma ämne kan existera i flera olika kristallstrukturer trots att den kemiska sammansättningen är exakt densamma.
Ett klassiskt exempel är diamant och grafit. Båda består av rent kol, men eftersom kolatomerna är ordnade på olika sätt får materialen helt olika egenskaper.
Samma princip gäller många halvledare.
Problemet är att den mest användbara kristallformen ibland bara är stabil vid hög temperatur. Om materialet sedan får svalna långsamt kan atomerna flytta tillbaka till den mer stabila men mindre användbara strukturen.
Snabb nedkylning låser fast atomerna
Forskarna löste problemet genom att både värma och kyla materialet extremt snabbt.
När ljuspulsen avslutas faller temperaturen så fort att atomerna inte hinner flytta tillbaka till den struktur de normalt föredrar.
Forskarna jämför processen med hur en smed snabbt kyler varmt stål för att låsa fast en viss materialstruktur.
Skillnaden är att processen här sker med ljus på millisekundskala.
Resultatet blev att forskarna kunde få vismutoxiden att behålla en kristallform som normalt inte är stabil vid rumstemperatur.
Ljuspulsens längd avgjorde materialets egenskaper
En av studiens mest intressanta observationer var att det inte bara var mängden energi som spelade roll.
Forskarna kunde använda två ljuspulser som totalt tillförde lika mycket energi, men ändå få två helt olika kristallstrukturer.
Det avgörande var hur snabbt energin levererades.
Längre pulser skapade den stabila alfafasen av vismutoxid.
Kortare och mer intensiva pulser kunde i stället låsa materialet i den mindre stabila betafasen.
Skillnaden syntes till och med med blotta ögat.
Den stabila formen var blekgrå medan betafasen blev klart gul.
Gav upp till 50 gånger mer elektrisk ström från ljus
Färgförändringen speglade en betydligt viktigare förändring i materialets egenskaper.
Den gula betafasen kunde absorbera ett bredare område av synligt ljus än den stabila alfafasen.
När forskarna mätte den elektriska ström som skapades av ljuset producerade betafasen mellan 10 och 50 gånger mer fotoström, beroende på hur filmen hade tillverkats.
Forskarna kopplar den kraftiga förbättringen till att elektriska laddningar kan röra sig effektivare genom den nya kristallstrukturen.
| Egenskap | Resultat |
|---|---|
| Material | Vismutoxid |
| Maximal temperatur i filmen | Nästan 2 000 °C |
| Temperatur hos glaset | Under 100 °C |
| Uppvärmningshastighet | Upp till 10 miljoner °C/s |
| Pulsens längd | Cirka 0,1 ms till några ms |
| Förbättrad fotoström | 10–50 gånger |
| Kemisk sammansättning förändrad | Nej |
Forskarna ändrade strukturen – inte kemin
Det är en viktig skillnad.
Forskarna tillsatte inga nya kemiska ämnen för att förbättra halvledaren.
Vismutoxiden hade samma kemiska sammansättning före och efter behandlingen.
Det enda som förändrades var hur atomerna var ordnade.
Den förändringen räckte för att drastiskt förändra hur materialet absorberade ljus och transporterade elektriska laddningar.
Materialet kunde växlas fram och tillbaka
Forskarna lyckades dessutom göra processen reversibel.
Genom att välja olika ljuspulser kunde de upprepade gånger växla materialet:
alfafas → betafas → alfafas
och fortsätta fram och tillbaka mellan strukturerna.
Enligt forskargruppen hade en sådan reversibel växling mellan de två kristallformerna inte tidigare demonstrerats direkt på det belagda transparenta ledande glas som används i verkliga elektroniska komponenter.
Det öppnar för att tekniken kan användas till mer än bara en engångsbehandling av material.
Kan bli intressant för solenergi
Studien fokuserade på vismutoxid, men forskarna tror att principen kan fungera på fler material.
Ett uppenbart användningsområde är solenergi.
Material som absorberar mer av solljuset och effektivare separerar och transporterar elektriska laddningar kan vara värdefulla i tekniker som omvandlar solljus till elektricitet eller kemisk energi.
Forskarna nämner även möjliga användningsområden inom:
- fotokatalys,
- avancerad elektronik,
- ljuskänsliga komponenter,
- andra tunna halvledarfilmer.
Fördelen är att extremt höga processtemperaturer kan användas även när själva komponenten innehåller material som normalt inte skulle överleva sådan värme.
Nästa mål är plast och flexibla material
Forskargruppen undersöker nu om metoden kan användas även på plast och flexibla underlag.
Det blir en ännu större utmaning eftersom sådana material vanligtvis tål betydligt mindre värme än glas.
Just därför kan den extremt korta uppvärmningen vara särskilt användbar.
Om endast det nanometertunna eller mikrometertunna aktiva materialet hinner bli varmt skulle avancerade halvledare potentiellt kunna behandlas direkt på flexibla komponenter utan att plasten under förstörs.
Ett millisekundkort blixtljus kan öppna nya material
Studien visar framför allt hur viktigt tiden kan vara vid materialtillverkning.
Det räcker inte alltid att veta hur mycket energi ett material får. Samma energimängd kan skapa helt olika slutresultat beroende på om den levereras långsamt eller under en extremt kort ljuspuls.
I experimentet var skillnaden dramatisk: ett tunt lager kunde nå nästan 2 000 °C medan glaset under fortfarande höll sig under 100 °C.
Genom att utnyttja den temperaturskillnaden kunde forskarna dessutom fånga en ovanlig kristallstruktur som producerade upp till 50 gånger mer elektrisk ström från ljus än materialets vanliga form.
Om samma princip fungerar för fler halvledarmaterial kan några millisekunders intensivt ljus därmed ge tillgång till materialegenskaper som tidigare varit svåra att kombinera med verkliga solceller och elektroniska komponenter.
Studien av Shahar Artzi och kollegor publicerades 2026 i Small Structures under titeln Kinetic Control of Crystal Polymorphism via Flash Photonic Heating: Reversible α ↔ β-Bi₂O₃ Phase Cycling in Thin-Film Photoelectrodes. DOI: 10.1002/sstr.202500853