Forskere finder overgangspunkter i halvledernanomaterialer

Samarbejdsforskning ved Notre Dame har vist, at elektroniske interaktioner spiller en væsentlig rolle i den dimensionelle crossover af halvledernanomaterialer. Masaru Kunos laboratorium, professor i kemi og biokemi, og den kondenserede stof teorigruppe af Boldizsár Jankó, professor i fysik, har nu vist, at en kritisk længdeskala markerer overgangen mellem en nuldimensional, kvanteprik og en endimensionel nanotråd.

Fundene, "Dimensional crossover i halvleder nanostrukturer, " blev offentliggjort i Naturkommunikation . Matthew P. McDonald og Rusha Chatterjee fra Kunos laboratorium og Jixin Si fra Jankós gruppe er også forfattere til publikationen.

En kvanteprikstruktur har de samme fysiske dimensioner i alle retninger, mens en kvantetråd udviser en dimension længere end de andre. Dette betyder, at kvanteprikker og nanotråde lavet af det samme materiale udviser forskellige optiske og elektriske responser på nanoskalaen, da disse egenskaber er udsøgt størrelses- og formafhængige. Forståelse af den størrelses- og formafhængige udvikling af nanomaterialeegenskaber har derfor været et centralt fokus for nanovidenskab i de sidste to årtier. Imidlertid, det er aldrig blevet endeligt fastslået, hvordan en kvanteprik udvikler sig til en nanotråd, efterhånden som dens billedformat bliver gradvist større. Udvikler kvanteegenskaber sig gradvist eller går de pludselig over?

Kunos laboratorium opdagede, at der eksisterer en kritisk længde, hvor en kvanteprik bliver nanotrådslignende. Forskerne opnåede dette gennembrud ved at udføre den første direkte, enkeltpartikelabsorptionsmålinger på individuelle halvledernanostænger, en mellemart mellem kvanteprikker og nanotråde. Enkeltpartikel i stedet for ensemblemålinger blev brugt for at undgå virkningerne af prøvens inhomogenitet. Desuden, en absorptionstilgang snarere end en ofte brugt emissionstilgang blev anvendt til at omgå eksisterende begrænsninger af moderne emissionsbaseret enkeltpartikelmikroskopi, nemlig, dens begrænsning til observation af meget fluorescerende prøver.

Opdagelsen markerer et betydeligt fremskridt i vores forståelse af den størrelses- og formafhængige kvantemekaniske respons af halvledernanostrukturer. "Alle introduktions-niveau solid state eller halvleder lærebøger skal revidere, hvad de siger om dimensionel crossover, " sagde Jankó. "Dette er endnu et eksempel, hvor interaktioner gør tingene helt anderledes." Ud over dette, Kuno foreslår, at enkeltpartikelabsorptionsmetoden, der er avanceret i undersøgelsen, "har praktisk, applikationer fra den virkelige verden, måske 40 år senere." Eksempler inkluderer generisk og etiketfri ultrafølsom påvisning af kemiske og biomolekylære arter af afgørende interesse inden for sfærerne af hjemlandsikkerhed såvel som folkesundhed.

Kunos gruppe udførte de eksperimenter, der førte til opdagelsen, mens Jankós gruppe ydede teoretisk støtte.