Beregninger bekræfter, at overfladefejl ligger bag fluorescensmellemrum i silicium -nanokrystaller

Kvanteprikker er nanopartikler af halvleder, der kan indstilles til at lyse i en regnbue af farver. Siden deres opdagelse i 1980'erne, disse bemærkelsesværdige nanopartikler har givet fristende udsigter til alle slags nye teknologier, lige fra malede belysningsmaterialer og solceller til kvantecomputerchips, biologiske markører, og endda lasere og kommunikationsteknologier.

Men der er et problem:Kvanteprikker blinker ofte.

Denne "fluorescens intermittency, "som videnskabsmænd kalder det, har lagt en dæmper på mange potentielle anvendelser. Lasere og logiske porte vil ikke fungere særlig godt med usikre lyskilder. Kvanteprikker kan absorbere specifikke farver af lys, også, men at bruge dem til at høste sollys i solcelleanlæg er endnu ikke særlig effektivt, til dels på grund af mekanismerne bag blinken.

University of Chicago -forskere, der computere ved Department of Energy's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), undersøgte for nylig den mystiske blinkende proces i siliciumkvantepunkter ved hjælp af simuleringer. Deres resultater, offentliggjort i udgaven af ​​28. februar Nanoskala , bringe videnskabsmænd et skridt tættere på at forstå – og muligvis afhjælpe – problemet.

Den utrolige kvanteprik

Kvanteprikker - kendt forskelligt som nanokrystaller, nanopartikler og nanodots - har nogle gavnlige egenskaber, som deres bulk modstykker mangler.

Spænd en kvanteprik, og den lyser klart i en bestemt lysfarve. Varier bredden med et par atomer, og du kan indstille den til at gløde forskellige farver:Jo mindre prikken, jo blåere lys. Jo større prikken, jo rødere. Kvantepunkter kan ligeledes indstilles til at absorbere bestemte bølgelængder af lys, en nyttig egenskab for solceller.

Sammenlignet med, den molekylære struktur af bulk-halvledere bestemmer (og begrænser) farverne af lys (eller energier), der udsendes og absorberes. Så, en lysemitterende diode (LED) lavet af ét materiale kan lyse grønt, mens et andet lyser rødt. For at få forskellige farver, du skal bruge forskellige materialer. Solceller, ligeledes, bruge lag af forskellige materialer til at fange forskellige bølgelængder af lys.

Så, hvorfor opfører en nanokrystal af halvleder sig så anderledes end et større gitter af samme materiale? I et ord:størrelse. Kunstigt fremstillet til kun at indeholde en håndfuld atomer, kvanteprikker er så små, at de findes i tusmørkezonen mellem newtonsk og kvantefysik, undertiden adlyde et sæt regler, nogle gange den anden, ofte med overraskende effekt.

Mens krystallerne af bulk-halvledere kan miste og genvinde elektroner (det er sådan, de leder en ladning), er elektronerne i en kvanteprik begrænset i prikken. Denne tilstand kaldes kvanteindeslutning. Når elektronerne i en kvanteprik interagerer med lys, de kan gennemgå en overgang og "hoppe" (kvantemekanisk) til en tilstand, der under normale forhold er ubeboet. Den energi, der er forbundet med det mindste spring, kaldes gapet. Gabet er altså den overskydende energi, som elektroner kan afgive, ideelt set som lys (eller i tilfælde af fotovoltaik, bærere), når du snapper ned til en lavere energitilstand. Som resultat, materialets radius definerer den energi, disse prikker kan absorbere og udsende.

Besværligt blink

Quantum prikker, imidlertid, tendens til at blinke til og fra. Blinket er ikke tilfældigt (det adlyder en "magtlov"), men det er heller ikke forudsigeligt. Dermed, individuelle partikler bliver muligvis kun mørke i nanosekunder eller forbliver mørke i minutter ad gangen eller et interval imellem.

Forskere har nogle ideer om, hvad der forårsager blinken, men forstår stadig ikke helt hvordan det virker, sagde Márton Vörös, en postdoc-forsker fra University of Chicago, der var medforfatter til undersøgelsen.

"Der har været en idé om, at overfladedefekter, for eksempel en dinglende binding på overfladen af ​​en nanokrystal, kan fange elektroner og forårsage denne omstilling mellem lyse og mørke tilstande, " sagde Vörös, der udførte beregningerne på NERSC. "Der er en hel del mikroskopiske modeller, der allerede er fremlagt af andre grupper, som er afhængige af defekter, men en fuldstændig forståelse mangler stadig."

Afgift har betydning

For at studere blinke, holdet brugte simulerede silicium (Si) nanopartikler konfigureret med forskellige defekter og belagt med siliciumdioxid. Startende med tre forskellige mulige defekttilstande, de brugte Hopper-supercomputeren (en Cray XE6) til at beregne de optiske og elektroniske egenskaber af den oxiderede siliciumnanopartikel med den videnskabelige pakke kaldet Quantum Espresso.

For at udføre deres beregninger, holdet konstruerede først virtuelle modeller. De udskårne beregningsmæssigt virtuelle huller ud af et krystallinsk siliciumoxid (SiO ₂ ) matrix og indsatte siliciumkvanteprikker af forskellige størrelser, beregningscyklusser for glødning og afkøling for at skabe en mere realistisk grænseflade mellem kvantepunkterne og SiO ₂ matrix. Endelig, dinglende bindingsdefekter blev introduceret på overfladen af ​​kvanteprikker ved at fjerne nogle få udvalgte atomer.

Ved at beregne de elektroniske egenskaber og den hastighed, hvormed elektroner frigiver energi, de fandt ud af, at fangede tilstande faktisk forårsager kvantepunktdæmpning. Dinglende bindinger på overfladen af ​​siliciumnanopartikler fangede elektroner, hvor de rekombinerede "ikke-strålende" ved at frigive varme. Det er, elektronerne afgiver overskydende energi uden at udstråle lys. Men det var lidt mere kompliceret end som så. Dæmpning afhang også af den samlede ladning af hele kvanteprikken, fandt teamet.

Nogle gange kan en elektron blive fanget i det materiale, en prik er indlejret i, silica i dette tilfælde, giver prikken en samlet positiv ladning. Kun når elektronen forbliver fanget på overfladen af ​​nanodotten, gør det neutralt eller negativt ladet ville det henfalde uden at udstråle lys. "Så, når prikken er positivt ladet, det bliver lyst. Når det er neutralt eller negativt ladet, vi forventer, at det ville være mørkt, " sagde Nicholas P. Brawand, en kandidatstuderende fra University of Chicago, der var medforfatter til undersøgelsen.

Ud over at blinke

For at nå frem til deres resultater, forskerne skulle udtænke realistiske modeller af kvanteprikker og beregne deres egenskaber ud fra grundlæggende, videnskabelige principper, hvad videnskabsmænd kalder ab intio (latin for "fra starten") beregninger. Disse beregninger tog mere end 100, 000 processortimer på Hopper. "De beregninger, der kræves for at komme til disse konklusioner, var beregningsmæssigt ret krævende, " sagde Vörös. "Vi kunne ikke have gjort vores arbejde uden NERSC's ressourcer."

"Vores resultater er de første rapporterede ab initio-beregninger, der viser, at dinglende bindinger på overfladen af ​​oxiderede siliciumnanopartikler kan fungere som effektive ikke-strålende rekombinationscentre, " sagde medforfatter Giulia Galli, der er Liew Family-professor i elektronisk struktur og simuleringer ved University of Chicagos Institute for Molecular Engineering. "Vores resultater giver en a priori validering af fortolkningen af ​​den rolle, dinglende bindingsfejl spiller i flere fotoniske og optoelektroniske enheder."

I øvrigt, forskernes teknikker kan bruges til at tackle virkningerne af fangst i solceller. "Fangst, den samme fysiske mekanisme, der forårsager at blinke, kan faktisk begrænse solcellernes effektivitet, sagde Vörös.

"Nu hvor vi har testet denne teknik, vi kan anvende det på nanokrystalsolceller, også, " sagde Galli.