Het produceren van schone energie en het verminderen van het stroomverbruik van verlichting en persoonlijke apparaten zijn belangrijke uitdagingen om de impact van de moderne beschaving op het milieu te verminderen. Als resultaat, de stijgende vraag naar zonnecellen en lichtgevende apparaten drijft wetenschappers ertoe nieuwe halfgeleidermaterialen te verkennen en hun prestaties te verbeteren, terwijl de productiekosten worden verlaagd.

Halfgeleider nanokristallen (materialen met afmetingen van ongeveer 10 nanometer, dat is ongeveer 10, 000 keer dunner dan ons haar) zijn veelbelovend voor deze toepassingen:ze zijn goedkoop te produceren, kunnen eenvoudig in deze apparaten worden geïntegreerd en beschikken over uitzonderlijk verbeterde eigenschappen bij interactie met licht, in vergelijking met hun bulk-tegenhangers. Deze sterke koppeling met licht geeft ze een onderscheidend voordeel ten opzichte van conventionele halfgeleiders, daarmee de weg vrijmakend voor apparaten met een hoog rendement.

Helaas, deze rand heeft een prijs:wanneer de grootte van een halfgeleider wordt verkleind, elektronen kunnen niet langer vrij door het materiaal reizen dat wordt beperkt door hun fysieke afmetingen. Verder, hun veel grotere oppervlakken vereisen het gebruik van passiveringsstrategieën (bijv. met organische liganden) om de vallen te verminderen die het ladingstransport onbedoeld nog verder zouden kunnen beïnvloeden. Daarom, praktische wijdverbreide toepassingen van nanokristallen zijn beperkt, en hun ontwrichtende potentieel kan niet worden benut.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen , een team van wetenschappers, onder leiding van professor Tze Chien Sum van de Nanyang Technological University (NTU), Singapore, hebben ontdekt dat nanokristallen gemaakt van halide-perovskieten buitengewone eigenschappen van energietransport bezitten, die het transport van ladingen vervangen, en zou nieuwe locaties kunnen openen voor het implementeren van deze materialen in hoogrenderende apparaten.

Prof. Sum en zijn team hebben al pionierswerk verricht in de studie van ladingstransport in deze materialen. In 2013 rapporteerde het team ongekende elektronentransporteigenschappen voor bulkhalogenide-perovskieten en deze ontdekking onderbouwde de successen van halide-perovskieten in de volgende jaren.

In dit werk, Het team van prof. Sum toonde aan dat verrassend genoeg heel efficiënt energie kan worden getransporteerd in films gemaakt van nanokristallen. Het team gebruikte een microscopie-beeldvormingssysteem om de reizende energie te 'visualiseren' met behulp van hun sterke lichtemissie als sonde, zoals weergegeven in figuur 1.

Terwijl negatieve en positieve ladingen (elektronen en gaten, respectievelijk) alleen kunnen niet in dit nanogestructureerde materiaal reizen, ze kunnen samenwerken en zogenaamde "opwindingen" vormen om samen te reizen, zoals weergegeven in figuur 2. De energiemobiliteit in deze materialen overtreft die van andere conventionele nanostructuren, zoals Cadmium Selenide (CdSe) quantum dots met meer dan 1 orde van grootte. Bovendien, energie kan zelfs verder reizen in deze materialen in vergelijking met wat ladingen kunnen doen in bulkhalogenide-perovskieten.

"Dit resultaat is ongekend. Als je een materiaal verkleint, meestal betekent dit dat u de maximale afstand die de ladingen erin kunnen afleggen, verkleint. Echter, in halogenide perovskieten, wanneer je hun dimensie reduceert tot kwantumgrootte, deze ladingen slagen erin om zichzelf in excitonen te rangschikken en een andere manier van reizen te vinden. Hun bereik is nu zelfs voor een langere afstand dan hun aanvankelijke reisbereik voordat je hun afmetingen verkleint, " zeiden Dr. David Giovanni en Dr. Marcello Righetto, twee van de hoofdauteurs van het werk die gelijke bijdragen deelden.

Hier, twee energietransportmechanismen werden geïdentificeerd:de excitonen 'springen' zeer effectief tussen verschillende nanokristallen, en hun transport wordt ondersteund door emissielicht dat in de film wordt opgesloten en daarom opnieuw wordt geabsorbeerd. Voor de eerste keer, wetenschapper verschafte een methode om deze twee bijdragen te onderscheiden.

Hoewel de volgende uitdaging om deze buitengewone eigenschappen direct voor echte apparaten te implementeren nog steeds bestaat (d.w.z. excitonen moeten worden gesplitst in positieve en negatieve ladingen om een ​​detecteerbare stroom te creëren), deze ontdekking van energietransport over lange afstand en hun mechanismen bieden nieuwe manieren om nanostructuren in apparaten te exploiteren.