Onderzoekers van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem hebben een doorbraak bereikt op het gebied van nanowetenschap door met succes de eigenschappen van nanokristallen te veranderen met onzuivere atomen - een proces dat doping wordt genoemd - en zo de weg vrijmaakten voor de vervaardiging van verbeterde halfgeleider nanokristallen.

Halfgeleider nanokristallen bestaan ​​uit tien tot duizenden atomen en zijn 10, 000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar. Deze kleine deeltjes hebben toepassingen in een groot aantal velden, zoals halfgeleiderverlichting, zonnecellen en bio-imaging. Een van de belangrijkste potentiële toepassingen van deze opmerkelijke materialen is in de halfgeleiderindustrie, waar de laatste 50 jaar intensieve miniaturisatie plaatsvindt en nu in het nanometerbereik ligt.

Echter, deze halfgeleiders zijn slechte elektrische geleiders, en om ze te gebruiken in elektronische schakelingen, hun geleidbaarheid moet worden afgestemd door toevoeging van onzuiverheden. In dit proces, vreemde atomen, onzuiverheden genoemd, worden geïntroduceerd in de halfgeleider, waardoor een verbetering van de elektrische geleidbaarheid.

Vandaag, de halfgeleiderindustrie besteedt jaarlijks miljarden dollars aan pogingen om opzettelijk onzuiverheden toe te voegen aan halfgeleiderproducten, wat een belangrijke stap is in de productie van talrijke elektronische producten, inclusief computerchips, lichtgevende dioden en zonnecellen.

Vanwege het belang van doping voor de halfgeleiderindustrie, onderzoekers over de hele wereld hebben voortdurend pogingen ondernomen om nanokristallen te doteren om een ​​steeds grotere miniaturisatie te bereiken en de productiemethoden voor elektronische apparaten te verbeteren. Helaas, deze kleine kristallen zijn bestand tegen doping, omdat hun kleine formaat ervoor zorgt dat de onzuiverheden worden verdreven. Een bijkomend probleem is het ontbreken van analytische technieken om kleine hoeveelheden doteermiddelen in nanokristallen te bestuderen. Door deze beperking, het meeste onderzoek op dit gebied was gericht op het introduceren van magnetische onzuiverheden, die gemakkelijker kunnen worden geanalyseerd. Echter, de magnetische onzuiverheden verbeteren de geleidbaarheid van het nanokristal niet echt.

Prof. Uri Banin en zijn afgestudeerde student, David Mocatta, van het Hebreeuws Universitair Centrum voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie, een doorbraak hebben bereikt in hun ontwikkeling van een rechttoe rechtaan, chemische reactie bij kamertemperatuur om onzuivere atomen van metalen in de halfgeleider nanokristallen te introduceren. Ze zagen nieuwe effecten die niet eerder waren gemeld. Echter, toen de onderzoekers probeerden de resultaten te verklaren, ze ontdekten dat de fysica van gedoteerde nanokristallen niet erg goed werd begrepen.

Beetje bij beetje, in samenwerking met Prof. Oded Millo van de Hebreeuwse Universiteit en met Guy Cohen en Prof. Eran Rabani van de Universiteit van Tel Aviv, ze bouwden een uitgebreid beeld op van hoe de onzuiverheden de eigenschappen van nanokristallen beïnvloeden. De aanvankelijke moeilijkheid om dit proces uit te leggen bleek een geweldige kans te zijn, toen ze ontdekten dat de onzuiverheid het nanokristal op onverwachte manieren aantast, wat resulteert in nieuwe en intrigerende fysica.

"We moesten een combinatie van vele technieken gebruiken die, samen genomen, duidelijk maken dat we erin geslaagd zijn om de nanokristallen te dopen. Het duurde vijf jaar, maar we zijn er uiteindelijk gekomen, ' zei Mocatta.

Deze doorbraak werd onlangs gerapporteerd in het prestigieuze tijdschrift Wetenschap . Het vormt de basis voor de ontwikkeling van vele potentiële toepassingen met nanokristallen, variërend van elektronica tot optica, van detectie tot alternatieve energieoplossingen. Gedoteerde nanokristallen kunnen worden gebruikt om nieuwe soorten nanolasers te maken, zonnepanelen, sensoren en transistoren, voldoen aan de hoge eisen van de halfgeleiderindustrie.