Afprøvning af dopingfordeling:Undersøgelse åbner døren for bedre doping af halvleder -nanokrystaller

(Phys.org)-Prikken over i’et for halvleder-nanokrystaller, der giver en ikke-dæmpet optoelektronisk effekt, kan eksistere som et lag tin, der adskiller sig nær overfladen.

En metode til at ændre de elektriske egenskaber af en halvleder er ved at indføre urenheder kaldet dopanter. Et hold ledet af Delia Milliron, en kemiker ved Berkeley Labs Molecular Foundry, et nationalt nanovidenskabscenter i US Department of Energy (DOE), har vist, at lige så vigtigt som mængden af ​​dopemiddel er, hvordan dopemidlet fordeles på overfladen og i hele materialet. Dette åbner døren til konstruktion af distributionen af ​​dopemidlet for at kontrollere, hvilken bølgelængde materialet vil absorbere og mere generelt hvordan lys interagerer med nanokrystaller.

"Doping i halvleder -nanokrystaller er stadig en kunst i udvikling, " siger Milliron. "Kun i de sidste par år er folk begyndt at observere interessante optiske egenskaber som et resultat af at introducere dopingmidler til disse materialer, men hvordan dopanterne er fordelt i nanokrystallerne er stort set ukendt. Hvilke steder de besætter, og hvor de er placeret i hele materialet, påvirker i høj grad optiske egenskaber. "

Millirons seneste påstand om berømmelse, en "smart window" -teknologi, der ikke kun blokerer naturlig infrarød (IR) stråling, mens den tillader passage af synligt lys gennem gennemsigtigt belagt glas, men giver også mulighed for uafhængig kontrol over begge former for stråling, er afhængig af en doteret halvleder kaldet indiumtinoxid (ITO).

ITO, hvor tin (dopemidlet) har erstattet nogle af indiumionerne i indiumoxid (halvlederen), er blevet det prototypiske dopede halvleder nanokrystalmateriale. Det bruges i alle former for elektroniske enheder, inklusive touchskærme, smarte vinduer og solceller.

"Det spændende ved denne klasse af materialer er, at dopingstofferne er i stand til at introducere frie elektroner, der dannes ved høj tæthed i materialet, hvilket gør dem ledende og dermed nyttige som gennemsigtige ledere, " siger Milliron

Men de samme elektroner får materialerne til at være plasmoniske i IR-delen af ​​spektret. Det betyder, at lys med IR -bølgelængde kan være resonant med frie elektroner i materialet:de oscillerende elektriske felter i lyset resonerer og kan forårsage absorption.

"[Disse materialer] kan absorbere IR-lys på en måde, der kan justeres ved at justere dopingen, mens den stadig er gennemsigtig for naturligt synligt lys. En indstillelig mængde absorption af IR -lys giver dig mulighed for at styre opvarmning. For os, det er køreprogrammet, " forklarer Milliron.

Indtil nu, justeringer er foretaget ved at ændre mængden af ​​dopingmiddel i halvlederen. Forundret over undersøgelser, hvor optiske egenskaber ikke opførte sig som forventet, Milliron og University of California (UC) Berkeley-ph.d.-kandidat Sebastien Lounis kiggede på røntgenfotoelektronspektroskopi for at undersøge elektroner nær overfladen af ​​ITO-prøverne og undersøge fordelingen af ​​elementer i prøverne ved Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL).

SSRL bruger en afstembar stråle af fotoner til at excitere elektroner inde i materialet. Hvis elektronerne er tæt nok på overfladen, de kan nogle gange udsendes og opsamles af en detektor. Disse elektroner giver information om materialets egenskaber, inklusive forholdet mellem mængderne af forskellige elementer som indium og tin i ITO. Forøgelse af energien i røntgenstrålen viser, hvordan sammensætningen af ​​tin og indium ændres, når man bevæger sig dybere ind i prøven. Ultimativt, spektroskopiteknikken gjorde det muligt for Milliron og hendes team at undersøge dopingfordelingen som en funktion af afstanden fra nanokrystallernes overflade.

Undersøgelser af to sæt prøver gjorde det muligt for dem at korrelere tinfordeling med optiske egenskaber, og viste, at formen og bølgelængden af ​​plasmonabsorption afhang af tinfordeling. Det tin, der var adskilt på overfladen, viste reduceret aktivering af dopingmidler og symmetriske plasmonresonanser, uden dæmpning forårsaget af dopingstofferne.

"Når blikket sidder nær overfladen, den interagerer kun svagt med størstedelen af ​​de frie elektroner, "forklarer Lounis." Dette giver os fordelene ved doping uden nogle ulemper. "

"Nu hvor vi ved, hvordan man undersøger, vi kan gå efter målrettede designfunktioner til bestemte applikationer, " konkluderer Milliron. Bevidst placering af dopingstoffer ved design giver et nyt værktøj til at "opkalde plasmoniske materialer for at gøre præcis, hvad vi ønsker med hensyn til interaktion med lys."

Et papir om denne forskning er blevet accepteret til offentliggørelse i Journal of the American Chemical Society ( JACS ) i april 2014. Papiret har titlen "Indflydelsen af ​​dopingfordeling på de plasmoniske egenskaber af indiumtinoxid -nanokrystaller" med Lounis som hovedforfatter og Milliron som den tilsvarende forfatter. Andre forfattere er Evan Runnerstorm, Amy Bergerud, og Dennis Nordlund.