De vooruitgang van ons elektronische tijdperk berust op ons vermogen om te bepalen hoe elektrische lading beweegt, van punt A naar punt B, via circuits. Dit vereist een bijzondere precisie, voor toepassingen variërend van computers, beeldsensoren en zonnecellen, en die taak ligt bij halfgeleiders.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam van de faculteiten Engineering and Applied Science en Arts and Sciences van de University of Pennsylvania heeft laten zien hoe de eigenschappen van halfgeleider nanodraden gemaakt van een veelbelovend materiaal:loodselenide, kunnen worden gecontroleerd.

Onder leiding van Cherie Kagan, hoogleraar bij de vakgroepen Electrical and Systems Engineering, Materials Science and Engineering and Chemistry en mededirecteur van Pennergy, Penn's centrum gericht op het ontwikkelen van alternatieve energietechnologieën, het onderzoek van het team werd voornamelijk uitgevoerd door David Kim, een afgestudeerde student in het Materials Science and Engineering-programma.

Het werk van het team werd online gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano en zal te zien zijn in de april-podcast van het tijdschrift.

De belangrijkste bijdrage van het werk van het team heeft te maken met het beheersen van de geleidende eigenschappen van loodselenide-nanodraden in circuits. Halfgeleiders zijn er in twee soorten, n en p, verwijzend naar de negatieve of positieve lading die ze kunnen dragen. Degenen die elektronen verplaatsen, die een negatieve lading hebben, worden "n-type" genoemd. Hun "p-type" tegenhangers verplaatsen geen protonen, maar eerder de afwezigheid van een elektron - een "gat" - wat het equivalent is van het verplaatsen van een positieve lading.

Voordat ze in circuits worden geïntegreerd, de halfgeleider nanodraad moet worden "bedraad" in een apparaat. Aan beide uiteinden moeten metalen elektroden worden geplaatst om elektriciteit in en uit te laten stromen; echter, de "bedrading" kan de waargenomen elektrische eigenschappen van de nanodraden beïnvloeden, of het apparaat n-type of p-type lijkt te zijn. besmetting, zelfs vanuit de lucht, kan ook het apparaattype beïnvloeden. Door rigoureuze luchtvrije synthese, zuivering en analyse, ze hielden de nanodraden schoon, waardoor ze de unieke eigenschappen van deze loodselenide-nanomaterialen kunnen ontdekken.

Onderzoekers ontwierpen experimenten waarmee ze de invloed van de metalen "bedrading" op de beweging van elektronen en gaten konden scheiden van die van het gedrag dat inherent is aan de loodselenide-nanodraden. Door de blootstelling van het halfgeleider nanodraadapparaat aan zuurstof of het chemische hydrazine te regelen, ze waren in staat om de geleidende eigenschappen tussen p-type en n-type te veranderen. Wijziging van de duur en concentratie van de blootstelling, het type nanodraadapparaat kan heen en weer worden gedraaid.

"Als je de oppervlakken van deze structuren blootlegt, die uniek zijn voor materialen op nanoschaal, je kunt ze p-type maken, je kunt ze n-type maken, en je kunt ze ergens tussenin maken, waar het zowel elektronen als gaten kan geleiden, "Zei Kagan. "Dit is wat we 'ambipolair' noemen."

Apparaten die één n-type en één p-type halfgeleider combineren, worden in veel hightech-toepassingen gebruikt, variërend van de circuits van alledaagse elektronica, tot zonnecellen en thermo-elektriciteit, die warmte kan omzetten in elektriciteit.

"Nadenken over hoe we deze dingen kunnen bouwen en profiteren van de kenmerken van materialen op nanoschaal, is echt wat dit nieuwe begrip mogelijk maakt, ' zei Kagan.

Het uitzoeken van de kenmerken van materialen op nanoschaal en hun gedrag in apparaatstructuren zijn de eerste stappen om vooruit te kijken naar hun toepassingen.

Deze loodselenide-nanodraden zijn aantrekkelijk omdat ze met goedkope methoden in grote hoeveelheden kunnen worden gesynthetiseerd.

"Vergeleken met de grote machines die je nodig hebt om andere halfgeleiderapparaten te maken, het is aanzienlijk goedkoper, "Zei Kagan. "Het ziet er niet veel ingewikkelder uit dan de kappen die mensen zouden herkennen van toen ze een scheikundelab moesten nemen."

Naast de lage kosten, het productieproces voor loodselenide nanodraden is relatief eenvoudig en consistent.

"Je hoeft niet naar hoge temperaturen te gaan om massale hoeveelheden van deze hoogwaardige loodselenide-nanodraden te krijgen, " zei Kim. "De technieken die we gebruiken zijn hoge opbrengst en hoge zuiverheid; we kunnen ze allemaal gebruiken."

En omdat de geleidende eigenschappen van de loodselenide-nanodraden kunnen worden veranderd terwijl ze zich in een apparaat bevinden, ze hebben een breder scala aan functionaliteit, in tegenstelling tot traditionele siliciumhalfgeleiders, die eerst moet worden "gedoteerd" met andere elementen om ze "p" of "n" te maken.

Het werk van het Penn-team is een stap in de richting van de integratie van deze nanomaterialen in een reeks elektronische en opto-elektronische apparaten, zoals fotosensoren.