Forskere finder en ny metode til at kontrollere elektroniske egenskaber af nanokrystaller

Forskere fra The Hebrew University of Jerusalem, Stony Brook University, og det amerikanske energiministerium (DOE) Brookhaven National Laboratory har opdaget nye effekter af en vigtig metode til modulering af halvledere. Metoden, som virker ved at skabe åbne rum eller "ledige stillinger" i et materiales struktur, gør det muligt for forskere at tune de elektroniske egenskaber af halvledernanokrystaller (SCNC'er) - halvlederpartikler, der er mindre end 100 nanometer. Dette fund vil fremme udviklingen af ​​nye teknologier som smarte vinduer, som kan ændre uigennemsigtighed efter behov.

Forskere bruger en teknik kaldet "kemisk doping" til at kontrollere de elektroniske egenskaber af halvledere. I denne proces, kemiske urenheder - atomer fra forskellige materialer - tilsættes til en halvleder for at ændre dens elektriske ledningsevne. Selvom det er muligt at dope SCNC'er, det er meget svært på grund af deres lille størrelse. Mængden af ​​urenheder, der tilsættes under kemisk doping, er så lille, at for at dope en nanokrystal ordentligt, ikke mere end et par atomer kan tilføjes til krystallen. Nanokrystaller har også en tendens til at fjerne urenheder, yderligere komplicerer dopingprocessen.

At søge at kontrollere de elektroniske egenskaber af SCNC'er lettere, forskere studerede en teknik kaldet ledighedsdannelse. I denne metode, urenheder tilsættes ikke til halvlederen; i stedet, ledige stillinger i dens struktur dannes af oxidations-reduktion (redox) reaktioner, en type kemisk reaktion, hvor elektroner overføres mellem to materialer. Under denne overførsel, en form for doping forekommer som manglende elektroner, kaldes huller, blive fri til at bevæge sig gennem hele krystallens struktur, væsentligt ændre den elektriske ledningsevne af SCNC.

"Vi har også identificeret størrelseseffekter i effektiviteten af ​​ledighedsdannelsesdopingsreaktionen, " sagde Uri Banin, en nanoteknolog fra det hebraiske universitet i Jerusalem. "Dannelse af ledige stillinger er faktisk mere effektiv i større SCNC'er."

I dette studie, forskerne undersøgte en redoxreaktion mellem kobbersulfid nanokrystaller (halvlederen) og jod, et kemikalie introduceret for at påvirke redoxreaktionen til at ske.

"Hvis du reducerer kobbersulfid, du vil trække kobber ud af nanokrystallen, generering af ledige stillinger og derfor huller, " sagde Anatoly Frenkel, en kemiker ved Brookhaven National Laboratory, der holder en fælles aftale med Stony Brook University, og den ledende Brookhaven -forsker på denne undersøgelse.

Forskerne brugte røntgenpulverdiffraktion (XPD) strålelinjen ved National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - en DOE Office of Science User Facility - til at studere strukturen af ​​kobbersulfid under redoxreaktionen. Ved at skinne ultra-lyse røntgenbilleder på deres prøver, forskerne er i stand til at bestemme mængden af ​​kobber, der trækkes ud under redoxreaktionen.

Baseret på deres observationer på NSLS-II, holdet bekræftede, at tilføjelse af mere jod til systemet medførte, at der blev frigivet mere kobber, og at der blev dannet flere ledige stillinger. Dette fastslog, at ledighedsdannelse er en nyttig teknik til at indstille de elektroniske egenskaber for SCNC'er.

Stadig, forskerne skulle finde ud af, hvad der præcist skete med kobber, da det forlod nanokrystallen. At forstå, hvordan kobber opfører sig efter redoxreaktionen, er afgørende for at implementere denne teknik i smart vinduesteknologi.

"Hvis kobber ukontrollabelt forsvinder, vi kan ikke trække det tilbage i systemet, " sagde Frenkel. "Men antag, at kobberet, der tages ud af krystallen, svæver rundt, klar til at gå tilbage. Ved at bruge den omvendte proces, vi kan sætte det tilbage i systemet, og vi kan lave en enhed, der ville være let at skifte fra den ene tilstand til den anden. For eksempel, du ville være i stand til at ændre gennemsigtigheden af ​​et vindue på forespørgsel, afhængigt af tidspunktet på dagen eller dit humør."

For at forstå, hvad der skete med kobber, forskerne brugte røntgenabsorption fin struktur (XAFS) spektroskopi ved Advanced Photon Source (APS)-også en DOE Office of Science User Facility-ved Argonne National Laboratory. Denne teknik giver forskerne mulighed for at studere de ekstremt små kobberkomplekser, som røntgendiffraktion ikke kan opdage. XAFS afslørede, at kobber blev kombineret med jod for at danne kobberjod, et positivt resultat, der indikerede, at kobber kunne sættes tilbage i nanokrystallet, og at forskerne har fuld kontrol over de elektroniske egenskaber.