En ny teori for halvledere lavet af nanokrystaller

Forskere ved ETH har givet den første teoretiske forklaring på, hvordan elektrisk strøm ledes i halvledere lavet af nanokrystaller. I fremtiden, dette kan føre til udvikling af nye sensorer, lasere eller lysdioder til tv-skærme.

Et par år siden, vi blev introduceret til tv -skærme med QLED -teknologi, der producerer strålende farver. "Q" står her for "quantum dot". Kvanteprikker er krystaller af et halvledermateriale, der kun er få nanometer store, og som består af et par tusinde atomer. Disse nanokrystaller er så små, at elektronerne i dem kun kan påtage sig visse veldefinerede kvantemekaniske energiniveauer. Som en konsekvens, når kvanteprikker oplyses af baggrundsbelysningen på et tv, lys af en bestemt farve udsendes ved kvantespring mellem disse niveauer.

I næste generation af QLED-tv, håbet er at bruge elektricitet til at få kvanteprikkerne til at lyse af sig selv i stedet for at have brug for baggrundsbelysning. Indtil nu, imidlertid, den teoretiske forståelse af, hvordan elektrisk strøm bevæger sig gennem en tynd film af nanokrystaller, manglede. Et team af forskere fra Institut for Informationsteknologi og Elektroteknik ved ETH Zürich ledet af Vanessa Wood har nu lukket det hul, som de rapporterer i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .

Springmadras vs bordplade

Teorien om, hvordan elektrisk strøm bevæger sig i halvledere, der ikke er nanosiseret, har været kendt i mere end halvfems år, og der findes softwareværktøjer til at modellere deres adfærd. Industrien kan kontrollere de elektroniske egenskaber af halvledere ved bevidst at tilføje urenhedsatomer (doping), som ændrer antallet af gratis ladningsbærere (elektroner). Derimod halvledere bestående af mange små nanokrystal kvanteprikker kan ikke behandles med disse metoder.

I nanokrystaller, tilføjelse af urenhedsatomer fører ikke nødvendigvis til gratis ladningsbærere. Desuden, gratis gebyrer opfører sig ikke på samme måde. "Ladebærere i normale halvledere bevæger sig som bowlingkugler, der ruller på en glat bordplade, hvorimod de i et nanokrystalmateriale fungerer som bowlingkugler på en blød madras, synker ind og deformerer det, " Wood illustrerer problemet.

Krævende modellering

For den teoretiske modellering betyder dette, at atomerne i krystalgitteret af nanokrystalhalvlederen ikke blot kan ses som stationære punkter, hvilket er hvad man normalt gør med normale halvledere. "Hellere, vi måtte matematisk beskrive hvert eneste af de flere hundrede tusinde atomer i materialets mange nanokrystaller, og hvordan hvert atom interagerer med ladningsbærere, " forklarer Nuri Yazdani, der arbejdede i Woods forskningsgruppe som ph.d. studerende og er første forfatter til den nyligt publicerede undersøgelse.

Ved at bruge Swiss Supercomputing Center CSCS i Lugano, Yazdani kørte en kompleks kode, hvor alle detaljerne i problemet – elektronernes og atomernes bevægelse samt vekselvirkningerne mellem dem – blev taget i betragtning. "I særdeleshed, vi ønskede at forstå, hvordan ladningsbærere bevæger sig mellem de enkelte nanokrystaller, og hvorfor de bliver 'fanget' og ikke kan fortsætte, " siger Yazdani.

Resultaterne af disse computersimuleringer var ekstremt afslørende. Det viste sig, at den afgørende faktor for, hvordan et materiale sammensat af mange nanokrystaller leder elektrisk strøm, er de mindste deformationer af krystallerne, kun et par tusindedele af en nanometer, som fører til en enorm ændring i elektrostatisk energi. Når ladning deformerer materialet omkring det, dette er kendt som en polaron, og Yazdanis simuleringer viser, at strøm flyder gennem polaroner og hopper fra den ene nanokrystal til den næste.

En model forklarer alt

Modellen forklarer, hvordan de elektroniske egenskaber af de nanokrystalbaserede halvledere ændres ved at variere størrelsen af ​​nanokrystallerne, og hvordan de pakker sig i filmen. For at teste forudsigelser af deres simuleringer, holdet producerede tynde film af nanokrystaller i laboratoriet og målte den elektriske respons for forskellige påførte spændinger og temperaturer. I de eksperimenter, de skabte frie elektroner i den ene ende af materialet ved hjælp af en kort laserpuls og observerede derefter, hvornår de ankom til den anden ende. Resultatet:for hver af de flere hundrede forskellige tests, computersimuleringen forudsagde perfekt de elektriske egenskaber.

"Efter otte års intenst arbejde, vi har nu skabt en model, der endelig kvantitativt kan forklare ikke bare vores eksperimenter, men også fra mange andre forskningsgrupper gennem de seneste år, " siger Wood. "Sådan en model vil gøre det muligt for forskere og ingeniører i fremtiden at beregne egenskaberne af en nanokrystal halvleder, selv før den er produceret." Dette skulle gøre det muligt at optimere sådanne materialer til særlige applikationer. "Indtil videre, dette skulle gøres ved forsøg og fejl, " tilføjer Wood.

Ved hjælp af ETH -forskernes resultater, i fremtiden kan nyttige halvledere udvikles fra nanokrystalmaterialer til forskellige applikationer i sensorer, lasere eller lysdioder – også til tv-skærme. Som sammensætning, størrelse, og arrangementet af nanokrystaller kan kontrolleres under deres produktion, sådanne materialer lover et meget bredere udvalg af elektriske egenskaber end traditionelle halvledere.