Forskere syntetiserer blysulfid nanokrystaller af ensartet størrelse

Blysulfid nanokrystaller, der er egnede til solceller, har et næsten et-til-en-forhold mellem bly og svovlatomer, men MIT-forskere opdagede, at for at lave ensartede kvanteprikker, et højere forhold mellem bly og svovlprækursorer – 24 til 1 – er bedre.

MIT kemiingeniørstuderende Mark C. Weidman udviklede den syntetiske opskrift i laboratoriet hos William A. Tisdale, Charles og Hilda Roddey karriereudviklingsprofessor i kemiteknik ved MIT, med kollegerne Ferry Prins, Rachel S. Hoffman og 2013 Summer Scholar Megan Beck. Ensartethed af størrelse kan fremme lange excitondiffusionslængder i blysulfid (PbS) kvanteprikfilm, siger Weidman.

Normalt syntetiseres kvanteprikker som et kolloid, med partikler suspenderet i en væske. Hvis kvanteprikkerne alle er af samme størrelse, de kan selv samle til et bestilt gitter. "Hvis de er monodisperse nok, det er den termodynamisk begunstigede tilstand, " forklarer Weidman.

Han bekræftede monodispersiteten af ​​sine film med transmissionselektron- og scanningselektronmikroskopi. Weidman rejste også til National Synchrotron Light Source ved Brookhaven National Laboratory på Long Island, N.Y., at udføre græsning-incidens småvinklet røntgenspredning (GISAXS) og vidvinkel røntgenspredning (WAXS) undersøgelser af hans tynde film.

"Mark og Megan var i stand til at gøre ekstremt monodisperse, hidtil uset monodispersitet i denne særlige type nanokrystal, blysulfid, " siger Tisdale. Weidman optrevlede mekanismen for den ensartede størrelse og struktur.

Weidman, som forventer at afslutte sin ph.d. ved MIT i 2016, er interesseret i blysulfid på grund af dets anvendelser til solceller. "I noget som en blysulfidfilm, der bruges til fotovoltaik, til solceller, i så fald ønsker du, at dine kvanteprikker skal absorbere lys. Men så vil du ikke have, at den genudsender. Du vil tage elektronen og hullet og dybest set få dem ud af filmen, få dem til et eksternt kredsløb. Så, du ønsker at maksimere spredningen i din film; du vil have, at det skal være meget nemt at trække dette elektron og hul-par tilbage, og du vil have en lang levetid for det elektron og hul-par, så du har meget tid til, at det kan vandre rundt i filmen og blive ekstraheret, " siger Weidman.

"Vi håber at finde måder til bedre at øge effektiviteten af ​​solceller ved at gøre dine diffusionslængder i film af blysulfid meget længere, og på den måde er det nemmere at udtrække ladningsbærere fra filmen."

Diffusionslængde refererer til processen med excitoner (par af modsat ladede elektroner og huller) i bevægelse, eller "hoppe, "fra kvanteprik til kvanteprik, eller fra kvanteprikker til et tilstødende materiale. Både afstanden, som excitonerne rejser, og deres levetid påvirker potentielle anvendelser. Weidman var medforfatter til en kollaborativ undersøgelse blandt professorer Tisdale, Vladimir Bulovic, og Adam Willard om diffusion i kvanteprik-faststoffer, som målte excitonlevetider og modellerede excitondiffusionslængder. Medstuderende A. Jolene Mork hjalp med prøveforberedelse og transiente spektroskopimålinger.

Til det studie, Weidman udførte elektronmikroskopi og analyse ved hjælp af billedbehandlingsværktøjer og MATLAB-programmering for at bestemme separationen, eller fysisk afstand, mellem kvanteprikker i filmen. Cadmiumselenidkerne-kvanteprikkerne med en cadmiumzink-svovlskal havde en gennemsnitlig center-til-center-afstand på omkring 7,9 nanometer fra hinanden. "Det, vi lærte, er, at du ønsker at gøre center-til-center-afstanden så lille som muligt for at få en længere diffusionslængde, for at maksimere din diffusionslængde, " siger Weidman.

Kvanteprikker er også værdsat for deres egenskab til at skifte farve, når de ændrer størrelse, som er bundet til deres skiftende båndgab. For at have en ensartet farve, du skal have en ensartet størrelse blandt et ensemble af kvanteprikker. Tisdale-gruppens kollega Elizabeth M.Y. (Liza) Lee lavede simulerede størrelsesvariationer i kvanteprikfilmen til undersøgelsen, Weidman bemærker. "Dette papir viser stort set, at du kan kontrollere, hvor meget energisk diffusion der forekommer i film af kvanteprikker ved at skræddersy, hvor tæt de er fysisk, " forklarer han.

"Den anden store implikation i dette papir er, at ud fra det, vi så i nogle af simuleringerne, nogle energetiske lidelser kan være gode i disse film for at få bolden til at rulle på energidiffusion. Hvis du har nogle størrelsesvariationer, og det giver dig energivariationer, så når du begejstrer denne film, og du får denne population af ophidsede kvanteprikker, så er nogle af dem højere energi end andre, nogle af dem er lavere energier, så naturligt vil excitonerne, der er på kvanteprikkerne med højere energi, finde stedet med lavere energi, og det er energispredning. Så en lille smule størrelsesvariation kan hjælpe med at fremskynde den proces, " siger Weidman. "Hvis du tænker på det som et bakket landskab, du har disse excitoner, der er på toppen af ​​bakken, og de finder en måde at rulle ned til bunden af ​​bakken, hvorimod hvis du havde en fuldstændig homogen film, der er flad i energi, så starter man ikke energidiffusion så hurtigt."

Weidman er hovedforfatter en Materialernes kemi papir, der yderligere undersøgte og karakteriserede supergitterdannelsen af ​​blysulfid nanokrystaller. "Vi kan lave langtrækkende supergitter, hvori ikke kun kvanteprikkerne er ordnet, men deres atomplan er også justeret, " Weidman forklarer. "Vi fandt også ud af, at vi kan ændre ligandarten på overfladen af ​​vores kvanteprikker, en fantastisk måde at ændre filmens egenskaber på, til mere kompakte og funktionelle arter uden at forstyrre supergitterarrangementet." Han undersøger i øjeblikket transport af energi over lange afstande i infrarøde materialer, som kunne anvendes på solceller.

Weidman, en 26-årig kandidat fra University of Delaware, kommer oprindeligt fra Haddonfield, N.J. Efter at have afsluttet sin doktorgrad ved MIT, han planlægger at få et job i industrien. "Jeg vil gerne blive ved med at arbejde med nanomaterialer, " siger han. "Jeg synes, det er et meget spændende område."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.