Ny undersøgelse afslører spin i kvanteprikker bærer multiplikation

En ny tilgang til udvikling af halvledermaterialer i små skalaer kan hjælpe med at booste applikationer, der er afhængige af at konvertere lys til energi. Et Los Alamos-ledet forskerhold inkorporerede magnetiske dopingmidler i specielt konstruerede kolloide kvanteprikker - halvlederkrystaller i nanoskala - og var i stand til at opnå effekter, der kan drive solcelleteknologi, fotodetektorer og applikationer, der er afhængige af lys til at drive kemiske reaktioner.

"I kvanteprikker, der består af en bly-selenid-kerne og en cadmium-selenid-skal, fungerer manganioner som små magneter, hvis magnetiske spins interagerer stærkt med både kernen og skallen af ​​kvanteprikken," sagde Victor Klimov, leder af Los Alamos. nanoteknologiteam og projektets hovedefterforsker. "I løbet af disse interaktioner kan energi overføres til og fra mangan-ionen ved at vende dens spin - en proces, der almindeligvis kaldes spin-udveksling."

I spin-udvekslingsbærermultiplikation genererer en enkelt absorberet foton ikke et men to elektron-hul-par, også kendt som excitoner, som opstår som et resultat af spin-flip-relaksation af en exciteret manganion.

På grund af den ekstremt hurtige hastighed af spin-udvekslingsinteraktioner viser de magnetisk doterede kvanteprikker en tredobbelt forbedring i bærermultiplikationsudbyttet sammenlignet med tilsvarende strukturerede udopede kvanteprikker. Det er vigtigt, at forbedringen er særlig stor inden for rækkevidden af ​​fotonenergier inden for solspektret, hvilket fører til mulige fotokonverteringsteknologiapplikationer.

Fordelene ved bærebølgemultiplikation

Normalt genererer en foton absorberet af en halvleder en elektron i ledningsbåndet og en tomhed i valensbåndet kendt som et "hul". Denne proces ligger til grund for driften af ​​fotodioder, billedsensorer og solceller, hvor de genererede ladningsbærere udvindes som en fotostrøm. De fotogenererede elektroner og huller kan også være nyttige i kemi, hvor de kan lette såkaldte redoxreaktioner, der involverer elektronoverførsel fra en enhed til en anden.

Alle typer fotokonverteringsskemaer ville have gavn af bærermultiplikation, en proces udløst af en højenergifoton, der genererer en "varm" bærer med en stor kinetisk energi. Denne energi spredes derefter i en kollision med en valensbåndelektron ved at excitere den til ledningsbåndet. Som følge heraf føjes et nyt elektron-hul-par til det oprindelige par skabt af den absorberede foton.

På grund af konkurrerende energitab på grund af interaktioner med gittervibrationer (sædvanligvis kaldet fononer), er bærermultiplikation ineffektiv i faste stoffer. Men som Los Alamos-forskere først demonstrerede i 2004, blev denne effekt forstærket i kemisk syntetiserede kolloide kvanteprikker. Den meget lille størrelse af kolloide kvanteprikker øger frekvensen af ​​elektron-elektron-kollisioner og letter derved bærermultiplikation.

Selv i kvanteprikkerne er effektiviteten af ​​bærermultiplikation imidlertid ikke tilstrækkelig høj til at have en mærkbar effekt på udførelsen af ​​praktiske fotokonverteringsskemaer. Som i tilfældet med bulkkrystaller er den primære begrænsning energitab på grund af hurtig emission af fononer, der fører til "ikke-produktiv" opvarmning af et krystalgitter.

Spin-udvekslingsinteraktioner for at booste bærermultiplikation

Mangan-dopanter hjælper med at tackle problemerne med hurtig fononemission. Med udgangspunkt i tidligere forskning, der demonstrerede tidsskalaerne under picosekunder for spin-udvekslingsinteraktioner - som er hurtigere end fononemission - indså forskerne, at brug af disse interaktioner ville øge effektiviteten af ​​bærebølgemultiplikation.

"For at gennemføre spin-udvekslingsbærermultiplikation har man brug for korrekt konstruerede kvanteprikker," sagde Clement Livache, postdoc-forsker og spektroskopiekspert på nanoteknologiteamet. "Båndgabet for disse prikker skal være mindre end halvdelen af ​​energien fra mangan-spin-flip-overgangen, og desuden bør spinstrukturen af ​​kvanteprikkerne matche den for den exciterede manganion."

"Energiforholdene kan tilfredsstilles med mangan-doterede kvanteprikker, der indeholder en bly-selenid-kerne og cadmium-selenid-skal," sagde Hin Jo, ledende kemiker på projektet. "I disse strukturer sker bærermultiplikation via to spin-udvekslingstrin. Først overføres energien af ​​elektron-hul-parret, genereret af en absorberet foton i cadmium-selenidskallen, til manganionen. Derefter overføres manganionen. gennemgår spin-flip afslapning tilbage til den uophidsede tilstand ved at skabe to excitoner i bly-selenid-kernen."

Spin-udvekslingsbærermultiplikation kan være særlig nyttig i multi-elektron/hul-reaktioner, der kræver flere reduktions- og oxidationshændelser. En af flaskehalsene i dette tilfælde er en ventetid mellem sekventiel reduktion og oxidationstrin. Bærermultiplikation eliminerer denne flaskehals ved at producere par af ladningsbærere (to elektroner og to huller), der er co-lokaliseret i tidsmæssige og rumlige domæner.

Forskningen er publiceret i tidsskriftet Nature Materials .

Flere oplysninger: Ho Jin et al., Spin-udvekslingsbærermultiplikation i mangan-doterede kolloide kvanteprikker, Naturmaterialer (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01598-x

Leveret af Los Alamos National Laboratory