Lille størrelse forbedrer ladningsoverførslen i kvanteprikker

(Phys.org) – Kvanteprikker – små halvlederkrystaller med diametre målt i milliardtedele af en meter – har et enormt potentiale for applikationer, der gør brug af deres evne til at absorbere eller udsende lys og/eller elektriske ladninger. Eksempler omfatter mere levende farvede lysdioder (LED'er), fotovoltaiske solceller, nanoskala transistorer, og biosensorer. Men fordi disse applikationer har forskellige – nogle gange modsatte – krav, at finde måder at kontrollere prikkernes optiske og elektroniske egenskaber på er afgørende for deres succes.

I en undersøgelse netop offentliggjort i tidsskriftet Kemisk kommunikation , forskere ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory, Stony Brook University, og Syracuse University viser, at krympning af kernen af ​​en kvanteprik kan forbedre en omgivende polymers evne til at udvinde elektriske ladninger genereret i prikken ved absorption af lys.

"Fotovoltaiske celler lavet af kvanteprikker parret med plastmaterialer som ledende polymerer er langt nemmere at lave og billigere end konventionelle siliciumbaserede solceller, " sagde Mircea Cotlet, en fysisk kemiker ved Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), der ledede forskerholdet. "Denne slags materialer er billige, let at syntetisere, og deres montering ville være relativt let."

Ulempen er, at lige nu, solenergi-enheder baseret på silicium kan ikke slås med hensyn til effektivitet. Men forskning rettet mod at forstå den fotovoltaiske proces på nanoskala kan ændre det.

"Evnen til at fremstille og studere enkelte partikler på CFN giver os mulighed for at observere og teste egenskaber, der ville blive sløret, eller gennemsnittet, i større prøver, " sagde Huidong Zang, en postdoc-stipendiat, der arbejder med Cotlet og førsteforfatter på papiret.

I en solcelle, det ideelle materiale ville absorbere meget lys og effektivt konvertere denne energi til elektriske ladninger, der let kan udvindes som en strøm. For at studere detaljerne i denne proces, forskerne brugte kvanteprikker sammensat af en lysabsorberende cadmium-selen-kerne indkapslet i en beskyttende zink-sulfid-skal og omgivet af en ledende polymer. De testede polymerens evne til at udvinde elektriske ladninger genereret, når kvanteprikkerne absorberede lys, og udførte eksperimenter med kvanteprikker med kerner af forskellig størrelse.

"Vi vidste fra teoretiske forudsigelser, at partikelstørrelsen skulle have en effekt på ladningsoverførslen med polymeren, men ingen havde gjort dette som et eksperiment indtil nu, og især på enkeltpartikelniveau, " sagde Cotlet.

Når de varierede størrelsen af ​​kvanteprikkens kerne, forskerne fandt ud af, at jo mindre diameteren var, jo mere effektiv og mere konsistent er gebyroverførselsprocessen.

"Ved at bruge en mindre kerne, vi øgede effektiviteten af ​​ladningsoverførselsprocessen og indsnævrede fordelingen af ​​ladningsoverførselshastigheden, så den var tættere på idealet med mindre variabilitet, " sagde Zang.

Forskerne udforskede en bestemt type ladningsoverførsel skabt af bevægelsen af ​​"huller" - områder med positiv ladning skabt af fraværet af negativt ladede elektroner. I elektroniske enheder, huller kan kanaliseres ligesom elektroner for at skabe elektrisk strøm. Og i dette tilfælde havde udtrækning af huller en ekstra fordel - det øgede den tid, kvanteprikker, som tænder og slukker i et blinkende mønster, forblev i "på" tilstand.

"Huloverførsel forhindrer blink, " sagde Cotlet. "Det holder kvanteprikken optisk aktiv længere, hvilket er bedre for den solcelleproces, fordi ladninger kun kan udtrækkes, når kvanteprikken er tændt."

"Det ville være umuligt at se denne effekt med bulkprøver, fordi du ikke kan se 'on' og 'off'-tilstandene. Når mange kvanteprikker blandes sammen, signalerne går i gennemsnit. Du kan kun se det ved at se på de enkelte nanopartikler."

Cotlets gruppe havde tidligere udført en lignende undersøgelse, hvor de parrede kvanteprikker med kulstofrige buckyballs. I den undersøgelse de fandt den modsatte effekt:Buckyballs reducerede prikkernes "on"-tid, mens de forbedrede overførslen af ​​elektroner.

I andre applikationer kæmning af prikker og polymerer, såsom LED'er eller biosensorer, videnskabsmænd leder efter måder at undertrykke ladningsoverførsel, da denne proces bliver skadelig.

"At kende disse grundlæggende principper og hvordan man kontrollerer disse processer på nanoskala, burde hjælpe os med at optimere brugen af ​​kvanteprikker til en bred vifte af applikationer, " sagde Cotlet.