Ekstra svovl forbedrer den elektroniske struktur af kvanteprikker

Kvanteprikker er halvlederpartikler på nanometerstørrelse med potentielle anvendelser i solceller og elektronik. Forskere fra University of Groningen og deres kolleger fra ETH Zürich har nu opdaget, hvordan man kan øge effektiviteten af ​​ladningsledningsevnen i bly-svovl kvanteprikker. Deres resultater vil blive offentliggjort i tidsskriftet Videnskabens fremskridt den 29. september.

Kvanteprikker er klynger af omkring 1, 000 atomer, der fungerer som ét stort "superatom". Prikkerne, som syntetiseres som kolloider, dvs. suspenderet i en væske som en slags maling, kan organiseres i tynde film med simple løsningsbaserede forarbejdningsteknikker. Disse tynde film kan omdanne lys til elektricitet. Imidlertid, forskere har opdaget, at de elektroniske egenskaber er en flaskehals. "Især ledning af huller, det positive modstykke til negativt ladede elektroner, " forklarer Daniel Balazs, Ph.D. studerende i fotofysik- og optoelektronikgruppen af ​​prof. Maria A. Loi ved University of Groningen Zernike Institute for Advanced Materials.

Støkiometri

Lois gruppe arbejder med bly-sulfid kvanteprikker. Når lys producerer et elektron-hul-par i disse prikker, elektronen og hullet bevæger sig ikke med samme effektivitet gennem samlingen af ​​prikker. Når transporten af ​​begge er begrænset, hullerne og elektronerne kan let rekombinere, hvilket reducerer effektiviteten af ​​lys-til-energi konvertering. Balazs satte sig derfor for at forbedre den dårlige hulledningsevne i kvanteprikkerne og finde et værktøjssæt til at gøre denne klasse af materialer afstembare og multifunktionelle.

"Roden til problemet er bly-svovl-støkiometrien, " forklarer han. I kvanteprikker, næsten halvdelen af ​​atomerne er på overfladen af ​​superatomet. I bly-svovlsystemet, blyatomer fylder fortrinsvis den ydre del, hvilket betyder et forhold mellem bly og svovl på 1:3 i stedet for 1:1. Dette overskud af bly gør denne kvanteprik til en bedre leder af elektroner end huller.

Tynde film

I bulkmateriale, transporten forbedres generelt ved at "doping" materialet:tilsætning af små mængder urenheder. Imidlertid, forsøg på at tilføje svovl til kvanteprikkerne har hidtil mislykkedes. Men nu, Balazs og Loi har fundet en måde at gøre dette på og dermed øge hulmobiliteten uden at påvirke elektronmobiliteten.

Mange grupper har forsøgt at kombinere tilsætning af svovl med andre produktionstrin. Imidlertid, dette gav mange problemer, såsom at forstyrre samlingen af ​​prikkerne i den tynde film. I stedet, Balazs producerede først bestilte tynde film og tilsatte derefter aktiveret svovl. Svovlatomer blev således med succes tilføjet til overfladen af ​​kvanteprikkerne uden at påvirke filmens andre egenskaber. "En omhyggelig analyse af de kemiske og fysiske processer under samlingen af ​​quantum dot tynde film og tilsætning af ekstra svovl var det, der var nødvendigt for at få dette resultat. Det er derfor, vores gruppe, i samarbejde med vores kemikolleger fra Zürich, lykkedes i sidste ende."

Enheder

Lois team er nu i stand til at tilføje forskellige mængder svovl, som gør dem i stand til at tune superatomsamlingernes elektriske egenskaber. "Vi ved nu, at vi kan forbedre effektiviteten af ​​kvanteprikkersolceller over den nuværende rekord på 11 procent. Næste skridt er at vise, at denne metode også kan lave andre typer af funktionelle enheder såsom termoelektriske enheder." Det understreger de unikke egenskaber ved kvanteprikker - de fungerer som ét atom med specifikke elektriske egenskaber. "Og nu kan vi samle dem og konstruere deres elektriske egenskaber, som vi ønsker. Det er noget, der er umuligt med bulkmaterialer, og det åbner nye perspektiver for elektroniske og optoelektroniske enheder."