Tilsætning af tin øger fotoluminescens af nanopartikler

Forskere ved U.S. Department of Energy's Ames Laboratory har udviklet germanium -nanopartikler med forbedret fotoluminescens, gør dem til potentielt bedre materialer til solceller og billeddannelsesprober. Forskergruppen fandt ud af, at ved at tilføje tin til nanopartiklens germaniumkerne, dets gitterstruktur matchede bedre gitterstrukturen af ​​cadmium-sulfidbelægningen, som gør det muligt for partiklerne at absorbere mere lys.

"For et fotovoltaisk materiale, naturligvis absorberer lys den første del og konvertering af at solenergi til elektrisk energi er den anden del, "sagde Ames Laboratory -videnskabsmand Emily Smith." Så du vil have et materiale, der gør begge dele effektivt. Germanium har nogle ønskelige egenskaber for fotovoltaiske materialer, men desværre absorberer det ikke godt lys. "

En del af problemet er, at den ydre overflade af germanium -nanopartikler ændrer sig over tid, primært fra oxidation. Tidligere arbejde fra Ames Laboratory -videnskabsmand Javier Velas gruppe fandt ud af, at belægning af nanopartikler - der almindeligvis kaldes overfladepassivering - forbedrede nanopartiklernes evne til at absorbere lys.

"Vi måler faktisk ikke absorption, "Smith forklarede, "vi måler luminescensen - mængden af ​​lys, der afgives, efter at en foton er absorberet."

"Det faktum, at germanium ikke absorberer lys godt, er en simpel måde at sige, at det er et indirekte båndgapmateriale, "Smith tilføjede, "og vi forsøger at lave et mere direkte bandgapmateriale, en, der absorberer lys bedre. "

Ifølge forskningslitteraturen, tilsætning af tin ser ud til at forbedre germaniums lysabsorberingsegenskaber. Imidlertid, forskerne fra Ames Laboratory fandt ud af, at selv med tilsætning af tin, nanopartiklerne krævede stadig en overfladebelægning. Men de opdagede også, at forholdet mellem overfladebelægningens atomstruktur og kernematerialet yderligere kan forbedre lysabsorberingen.

Den specifikke metode, der bruges, kaldes Successive Ion Layer Adsorption and Reaction eller 'SILAR', som først blev tilpasset til gruppe IV -kolloider for flere år siden.

"Vi har udviklet den ekspertise, der kræves for at dyrke indviklet kerne/skal og andre veldefinerede nanopartikler i mange år, "Vela sagde, "Gennem vores samarbejde med Emily Smiths gruppe, vi håber at fortsætte med at gøre indhug i vores evne til at manipulere og lede energistrømme på nanoskalaen. "

Ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi-billeddannelse og pulverrøntgendiffraktion til at studere de strukturelle egenskaber ved nanopartiklerne og Raman- og fotoluminescensspektroskopier til at kvantificere gitterstamme og fotoluminescensadfærd, gruppen fandt en sammenhæng mellem mængden af ​​tin i kernen og hvor godt kernens gitter stemte overens med cadmium-sulfids ydre skal.

"Atomer er et meget specifikt sted inden for nanokrystalkernen, og når du anvender skallen omkring nanokrystallen, atomer i skallen matcher muligvis ikke perfekt med atomerne i kernen, "Smith sagde." Med germanium udelukkende materiale, der tidligere er brugt, kernen og skallen passede ikke perfekt. "

"Da vi undersøgte germanium-tin-partiklerne, vi foreslog, at de fungerede bedre, fordi afstanden mellem atomerne bedre matchede afstanden mellem de atomer, vi brugte i laglaget, "sagde hun." Ved at gøre det, du får en mere perfekt skal, der er mindre tilbøjelige til at forårsage kemiske ændringer på overfladen af ​​nanopartikelkernen. "

En anden potentiel anvendelse af dette materiale, udover solceller, er det ved mikroskopi eller billeddannelse, forskere skal ofte "mærke" et protein eller en anden funktion med en nanopartikel "sonde" for at få det til at lyse op, så det er lettere at se og studere.

Forskningsresultaterne, "Germanium-Tin/Cadmium Sulfid Core/Shell Nanocrystals with Enhanced Near-Infrared Photoluminescence, "blev offentliggjort i American Chemical Society's journal Kemi af materialer .