Forskere måler næsten perfekt ydeevne i lavpris halvledere

Lille bitte, let at producere partikler, kaldes kvanteprikker, kan snart træde i stedet for dyrere enkeltkrystalhalvledere i avanceret elektronik, der findes i solpaneler, kamerasensorer og medicinske billedværktøjer. Selvom kvanteprikker er begyndt at bryde ind på forbrugermarkedet-i form af kvantepunkt-tv-er de blevet hæmmet af mangeårig usikkerhed om deres kvalitet. Nu, en ny måleteknik, der er udviklet af forskere ved Stanford University, kan endelig opløse denne tvivl.

"Traditionelle halvledere er enkeltkrystaller, vokset i vakuum under særlige forhold. Disse kan vi lave i stort antal, i kolbe, i et laboratorium, og vi har vist, at de er lige så gode som de bedste enkeltkrystaller, "sagde David Hanifi, kandidatstuderende i kemi ved Stanford og medlederforfatter af papiret skrevet om dette værk, udgivet 15. marts i Videnskab .

Forskerne fokuserede på, hvor effektivt kvanteprikker genudsender det lys, de absorberer, et tydeligt mål for halvlederkvalitet. Mens tidligere forsøg på at finde ud af quantum dot -effektivitet antydede høj ydeevne, dette er den første målemetode, der med sikkerhed viser, at de kunne konkurrere med enkeltkrystaller.

Dette arbejde er resultatet af et samarbejde mellem laboratorierne i Alberto Salleo, professor i materialevidenskab og teknik ved Stanford, og Paul Alivisatos, Samsungs fremtrædende professor i nanovidenskab og nanoteknologi ved University of California, Berkeley, som er en pioner inden for quantum dot research og seniorforfatter af papiret. Alivisatos understregede, hvordan måleteknikken kunne føre til udvikling af nye teknologier og materialer, der kræver at kende effektiviteten af ​​vores halvledere i en omhyggelig grad.

"Disse materialer er så effektive, at eksisterende målinger ikke var i stand til at kvantificere, hvor gode de er. Dette er et kæmpe spring fremad, "sagde Alivisatos." Det kan en dag muliggøre applikationer, der kræver materialer med luminescenseffektivitet langt over 99 procent, hvoraf de fleste endnu ikke er opfundet. "

Mellem 99 og 100

At kunne afstå behovet for dyrt fabrikationsudstyr er ikke den eneste fordel ved kvantepunkter. Selv før dette arbejde, der var tegn på, at kvantepunkter kunne nærme sig eller overgå ydeevnen for nogle af de bedste krystaller. De kan også tilpasses meget. Ændring af deres størrelse ændrer bølgelængden af ​​lys, de udsender, en nyttig funktion til farvebaserede applikationer såsom mærkning af biologiske prøver, Tv eller computerskærme.

På trods af disse positive egenskaber, den lille størrelse af kvantepunkter betyder, at det kan tage milliarder af dem at udføre arbejdet med en stor, perfekt enkelt krystal. At lave så mange af disse kvantepunkter betyder flere chancer for, at noget vokser forkert, flere chancer for en defekt, der kan hæmme ydeevnen. Teknikker, der måler kvaliteten af ​​andre halvledere, der tidligere foreslog kvantepunkter udsender over 99 procent af det lys, de absorberer, men det var ikke nok til at besvare spørgsmål om deres potentiale for defekter. At gøre dette, forskerne havde brug for en måleteknik, der var bedre egnet til præcist at evaluere disse partikler.

"Vi vil måle emissionseffektiviteter i området 99,9 til 99,999 procent, fordi, hvis halvledere er i stand til at genudsende hver foton, de absorberer, som lys du kan lave virkelig sjov videnskab og lave enheder, der ikke har eksisteret før, "sagde Hanifi.

Forskernes teknik involverede at kontrollere for overskydende varme produceret af energiserede kvantepunkter, snarere end kun at vurdere lysemission, fordi overskydende varme er en signatur på ineffektiv emission. Denne teknik, almindeligt anvendt til andre materialer, aldrig var blevet anvendt til at måle kvanteprikker på denne måde, og det var 100 gange mere præcist end hvad andre tidligere har brugt. De fandt ud af, at grupper af kvantepunkter udsendte pålideligt omkring 99,6 procent af det lys, de absorberede (med en potentiel fejl på 0,2 procent i begge retninger), hvilket kan sammenlignes med de bedste enkeltkrystalemissioner.

"Det var overraskende, at en film med mange potentielle defekter er lige så god som den mest perfekte halvleder, du kan lave, "sagde Salleo, der er medforfatter til papiret.

I modsætning til bekymringer, resultaterne tyder på, at kvantepunkterne er påfaldende fejltolerante. Målteknikken er også den første til fast at bestemme, hvordan forskellige kvanteprikstrukturer sammenligner hinanden - kvantepunkter med præcis otte atomlag af et specielt belægningsmateriale udsender lys hurtigst, en indikator for overlegen kvalitet. Formen på disse prikker bør lede designet til nye lysemitterende materialer, sagde Alivisatos.

Helt nye teknologier

Denne forskning er en del af en samling af projekter inden for en afdeling for energifinansieret Energy Frontier Research Center, kaldet fotonik ved termodynamiske grænser. Anført af Jennifer Dionne, lektor i materialevidenskab og teknik ved Stanford, centrets mål er at skabe optiske materialer - materialer, der påvirker lysstrømmen - med den højest mulige effektivitet.

Et næste trin i dette projekt er at udvikle endnu mere præcise målinger. Hvis forskerne kan bestemme, at disse materialer når en effektivitet på eller over 99,999 procent, det åbner mulighed for teknologier, vi aldrig har set før. Disse kan omfatte nye glødende farvestoffer for at forbedre vores evne til at se på biologi i atomskala, selvlysende køling og selvlysende solkoncentratorer, som tillader et relativt lille sæt solceller at optage energi fra et stort område af solstråling. Alt dette bliver sagt, de målinger, de allerede har etableret, er en egen milepæl, sandsynligvis tilskynde til et mere øjeblikkeligt løft inden for kvantumpunktforskning og applikationer.

"Folk, der arbejder med disse quantum dot -materialer, har i mere end et årti tænkt, at prikker kunne være lige så effektive som enkeltkrystalmaterialer, "sagde Hanifi, "og nu har vi endelig beviser."