Klein, gemakkelijk te produceren deeltjes, kwantumstippen genoemd, kan binnenkort de plaats innemen van duurdere eenkristalhalfgeleiders in geavanceerde elektronica in zonnepanelen, camerasensoren en hulpmiddelen voor medische beeldvorming. Hoewel kwantumdots zijn begonnen door te breken op de consumentenmarkt - in de vorm van kwantumdot-tv's - worden ze gehinderd door langdurige onzekerheden over hun kwaliteit. Nutsvoorzieningen, een nieuwe meettechniek ontwikkeld door onderzoekers van Stanford University kan die twijfels eindelijk wegnemen.

"Traditionele halfgeleiders zijn eenkristallen, onder speciale omstandigheden in vacuüm gekweekt. Deze kunnen we in grote aantallen maken, in kolf, in een laboratorium en we hebben aangetoond dat ze zo goed zijn als de beste eenkristallen, " zei David Hanifi, afgestudeerde student scheikunde aan Stanford en co-hoofdauteur van het artikel dat over dit werk is geschreven, gepubliceerd op 15 maart in Wetenschap .

De onderzoekers concentreerden zich op hoe efficiënt kwantumstippen het licht dat ze absorberen opnieuw uitstralen. een veelbetekenende maatstaf voor de kwaliteit van halfgeleiders. Terwijl eerdere pogingen om de efficiëntie van kwantumdots te achterhalen, duidden op hoge prestaties, dit is de eerste meetmethode die met vertrouwen aantoont dat ze kunnen concurreren met monokristallen.

Dit werk is het resultaat van een samenwerking tussen de laboratoria van Alberto Salleo, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan Stanford, en Paul Alivisatos, de Samsung Distinguished Professor van Nanowetenschappen en Nanotechnologie aan de Universiteit van Californië, Berkeley, die een pionier is in onderzoek naar kwantumdots en senior auteur van het artikel. Alivisatos benadrukte hoe de meettechniek zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe technologieën en materialen waarvoor een nauwgezette kennis van de efficiëntie van onze halfgeleiders vereist is.

"Deze materialen zijn zo efficiënt dat bestaande metingen niet in staat waren om te kwantificeren hoe goed ze zijn. Dit is een enorme sprong voorwaarts, "zei Alivisatos. "Het kan ooit toepassingen mogelijk maken die materialen vereisen met een luminescentie-efficiëntie van ruim boven 99 procent, waarvan de meeste nog niet zijn uitgevonden."

Tussen 99 en 100

Het kunnen afzien van de noodzaak van dure fabricageapparatuur is niet het enige voordeel van kwantumdots. Zelfs vóór dit werk, er waren tekenen dat kwantumstippen de prestaties van enkele van de beste kristallen zouden kunnen benaderen of overtreffen. Ze zijn ook zeer aanpasbaar. Door hun grootte te veranderen, verandert de golflengte van het licht dat ze uitstralen, een handige functie voor op kleur gebaseerde toepassingen zoals het labelen van biologische monsters, TV's of computerschermen.

Ondanks deze positieve eigenschappen, de kleine omvang van kwantumdots betekent dat er miljarden nodig zijn om het werk van één grote, perfecte eenkristal. Het maken van zoveel van deze kwantumstippen betekent meer kans dat iets verkeerd groeit, meer kans op een defect dat de prestaties kan belemmeren. Technieken die de kwaliteit van andere halfgeleiders meten, suggereerden eerder dat kwantumstippen meer dan 99 procent van het licht uitstralen dat ze absorberen, maar dat was niet genoeg om vragen te beantwoorden over hun potentieel voor defecten. Om dit te doen, de onderzoekers hadden een meettechniek nodig die beter geschikt was om deze deeltjes nauwkeurig te evalueren.

"We willen emissie-efficiënties meten in het rijk van 99,9 tot 99,999 procent omdat, als halfgeleiders elk foton dat ze absorberen als licht opnieuw kunnen uitzenden, je kunt echt leuke wetenschap doen en apparaten maken die nog niet eerder bestonden, ' zei Hanifi.

De techniek van de onderzoekers omvatte het controleren op overtollige warmte geproduceerd door geactiveerde kwantumstippen, in plaats van alleen de lichtemissie te beoordelen, omdat overtollige warmte een kenmerk is van inefficiënte emissie. Deze techniek, vaak gebruikt voor andere materialen, was nog nooit toegepast om kwantumstippen op deze manier te meten en het was 100 keer nauwkeuriger dan wat anderen in het verleden hebben gebruikt. Ze ontdekten dat groepen kwantumstippen op betrouwbare wijze ongeveer 99,6 procent van het licht uitstraalden dat ze absorbeerden (met een potentiële fout van 0,2 procent in beide richtingen), wat vergelijkbaar is met de beste eenkristal-emissies.

"Het was verrassend dat een film met veel potentiële defecten zo goed is als de meest perfecte halfgeleider die je kunt maken, " zei Salleo, wie is co-auteur van het artikel.

In tegenstelling tot zorgen, de resultaten suggereren dat de kwantumstippen opvallend defecttolerant zijn. De meettechniek is ook de eerste die duidelijk vaststelt hoe verschillende quantum dot-structuren zich tot elkaar verhouden:quantum dots met precies acht atomaire lagen van een speciaal coatingmateriaal straalden het snelst licht uit, een indicator van superieure kwaliteit. De vorm van die stippen zou het ontwerp voor nieuwe lichtgevende materialen moeten leiden, zei Alivisatos.

Geheel nieuwe technologieën

Dit onderzoek maakt deel uit van een verzameling projecten binnen een door het Department of Energy gefinancierd Energy Frontier Research Center, genaamd Photonics at Thermodynamic Limits. Onder leiding van Jennifer Dionne, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek aan Stanford, het doel van het centrum is om optische materialen te creëren - materialen die de lichtstroom beïnvloeden - met de hoogst mogelijke efficiëntie.

Een volgende stap in dit project is het ontwikkelen van nog nauwkeurigere metingen. Als de onderzoekers kunnen vaststellen dat deze materialen een efficiëntie bereiken van 99,999 procent of meer, dat opent de mogelijkheid voor technologieën die we nog nooit eerder hebben gezien. Deze kunnen nieuwe gloeiende kleurstoffen omvatten om ons vermogen om naar biologie op atomaire schaal te kijken, te verbeteren, lichtgevende koeling en lichtgevende zonneconcentrators, waardoor een relatief kleine set zonnecellen energie kan opnemen uit een groot gebied van zonnestraling. Dit alles gezegd zijnde, de metingen die ze al hebben vastgesteld, zijn een mijlpaal op zich, zal waarschijnlijk een directere impuls geven aan onderzoek en toepassingen van kwantumdots.

"Mensen die aan deze kwantumdotmaterialen werken, denken al meer dan een decennium dat stippen net zo efficiënt kunnen zijn als monokristallijne materialen, " zei Hanifi, "en nu hebben we eindelijk bewijs."