Onderzoekers van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem, Stony Brook-universiteit, en het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben nieuwe effecten ontdekt van een belangrijke methode voor het moduleren van halfgeleiders. De methode, die werkt door het creëren van open ruimtes of "vacatures" in de structuur van een materiaal, stelt wetenschappers in staat om de elektronische eigenschappen van halfgeleider nanokristallen (SCNC's) af te stemmen - halfgeleiderdeeltjes die kleiner zijn dan 100 nanometer. Deze bevinding zal de ontwikkeling van nieuwe technologieën zoals slimme ramen, die de ondoorzichtigheid op verzoek kan veranderen.

Wetenschappers gebruiken een techniek genaamd "chemische doping" om de elektronische eigenschappen van halfgeleiders te controleren. In dit proces, chemische onzuiverheden - atomen van verschillende materialen - worden aan een halfgeleider toegevoegd om de elektrische geleidbaarheid te veranderen. Hoewel het mogelijk is om SCNC's te dopen, het is erg moeilijk vanwege hun kleine formaat. De hoeveelheid onzuiverheden die wordt toegevoegd tijdens chemische doping is zo klein dat om een ​​nanokristal goed te doteren, er kunnen niet meer dan een paar atomen aan het kristal worden toegevoegd. Nanokristallen hebben ook de neiging om onzuiverheden te verdrijven, het dopingproces nog ingewikkelder maken.

Om de elektronische eigenschappen van SCNC's gemakkelijker te kunnen regelen, onderzoekers bestudeerden een techniek die vacaturevorming wordt genoemd. Bij deze methode, onzuiverheden worden niet aan de halfgeleider toegevoegd; in plaats daarvan, vacatures in de structuur worden gevormd door oxidatie-reductie (redox) reacties, een soort chemische reactie waarbij elektronen worden overgedragen tussen twee materialen. Tijdens deze overplaatsing een soort doping treedt op als ontbrekende elektronen, gaten genoemd, vrij worden om door de structuur van het kristal te bewegen, waardoor de elektrische geleidbaarheid van de SCNC aanzienlijk verandert.

"We hebben ook grootte-effecten geïdentificeerd in de efficiëntie van de dopingreactie op de vacaturevorming, " zei Uri Banin, een nanotechnoloog van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem. "Vacaturevorming is juist efficiënter in grotere SCNC's."

In dit onderzoek, de onderzoekers onderzochten een redoxreactie tussen kopersulfide nanokristallen (de halfgeleider) en jodium, een chemische stof die is geïntroduceerd om de redoxreactie te beïnvloeden.

"Als je kopersulfide reduceert, je trekt koper uit het nanokristal, het genereren van vacatures en dus gaten, " zei Anatoly Frenkel, een chemicus bij Brookhaven National Laboratory met een gezamenlijke afspraak met Stony Brook University, en de hoofdonderzoeker van Brookhaven voor deze studie.

De onderzoekers gebruikten de röntgenpoederdiffractie (XPD) bundellijn bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - een DOE Office of Science User Facility - om de structuur van kopersulfide tijdens de redoxreactie te bestuderen. Door ultraheldere röntgenstralen op hun monsters te laten schijnen, de onderzoekers kunnen bepalen hoeveel koper er tijdens de redoxreactie wordt uitgetrokken.

Op basis van hun waarnemingen bij NSLS-II, het team bevestigde dat het toevoegen van meer jodium aan het systeem ervoor zorgde dat er meer koper vrijkwam en dat er meer vacatures ontstonden. Hiermee werd vastgesteld dat leegstandsvorming een bruikbare techniek is om de elektronische eigenschappen van SCNC's af te stemmen.

Nog altijd, de onderzoekers moesten erachter komen wat er precies met koper gebeurde toen het het nanokristal verliet. Begrijpen hoe koper zich gedraagt ​​na de redoxreactie is cruciaal voor het implementeren van deze techniek in slimme raamtechnologie.

"Als koper ongecontroleerd verdwijnt, we kunnen het niet terug in het systeem trekken, ' zei Frenkel. 'Maar stel dat het koper dat uit het kristal wordt gehaald, rondzweeft, klaar om weer naar binnen te gaan. Door het omgekeerde proces te gebruiken, we kunnen het terug in het systeem zetten, en we kunnen een apparaat maken dat gemakkelijk van de ene toestand naar de andere kan worden overgeschakeld. Bijvoorbeeld, u zou de transparantie van een venster op aanvraag kunnen wijzigen, afhankelijk van het tijdstip van de dag of je humeur."

Om te begrijpen wat er met koper gebeurde, de onderzoekers gebruikten X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) spectroscopie bij de Advanced Photon Source (APS) - ook een DOE Office of Science User Facility - in het Argonne National Laboratory. Met deze techniek kunnen de onderzoekers de extreem kleine kopercomplexen bestuderen die röntgendiffractie niet kan detecteren. XAFS onthulde dat koper werd gecombineerd met jodium om koperjodium te vormen, een positief resultaat dat aangaf dat koper terug in het nanokristal zou kunnen worden geplaatst en dat de onderzoekers volledige controle hebben over de elektronische eigenschappen.