Films gemaakt van halfgeleider nanokristallen - kleine kristallen met een diameter van slechts enkele miljardsten van een meter - worden gezien als een veelbelovend nieuw materiaal voor een breed scala aan toepassingen. Nanokristallen kunnen worden gebruikt in elektronische of fotonische circuits, detectoren voor biomoleculen, of de gloeiende pixels op beeldschermen met een hoge resolutie. Ze zijn ook veelbelovend voor efficiëntere zonnecellen.

De grootte van een halfgeleider nanokristal bepaalt de elektrische en optische eigenschappen. Maar het is heel moeilijk om de plaatsing van nanokristallen op een oppervlak te controleren om structureel uniforme films te maken. Typische nanokristalfilms hebben ook barsten die hun bruikbaarheid beperken en het onmogelijk maken om de fundamentele eigenschappen van deze materialen te meten.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT zeggen dat ze manieren hebben gevonden om defectvrije patronen van nanokristalfilms te maken waarbij de vorm en positie van de films worden gecontroleerd met een resolutie op nanoschaal, potentieel een belangrijk gebied voor onderzoek en mogelijke nieuwe toepassingen openen.

"We hebben geprobeerd te begrijpen hoe elektronen bewegen in arrays van deze nanokristallen, ” wat moeilijk was met beperkte controle over de vorming van de arrays, zegt natuurkundige Marc Kastner, de Donner hoogleraar wetenschap, decaan van MIT's School of Science en senior auteur van een paper dat online in het tijdschrift is gepubliceerd Nano-letters .

Het werk bouwt voort op onderzoek van Moungi Bawendi, de Lester Wolfe Professor of Chemistry aan het MIT en een co-auteur van dit artikel, die een van de eerste onderzoekers was die de productie van nanokristallen nauwkeurig controleerde. Een dergelijke controle maakte het mogelijk, onder andere, materialen te produceren die gloeien, of fluoresceren, in een reeks verschillende kleuren op basis van hun maten - ook al zijn ze allemaal gemaakt van hetzelfde materiaal.

In de beginfase van het nieuwe werk, postdoc Tamar Mentzel maakte patronen op nanoschaal die onzichtbaar infrarood licht uitstralen. Maar werken aan dergelijke systemen is vervelend, omdat elke fijnafstemming moet worden gecontroleerd met behulp van tijdrovende elektronenmicroscopie. Dus toen Mentzel erin slaagde halfgeleider nanokristalpatronen te laten gloeien met zichtbaar licht, ze zichtbaar maken door een optische microscoop, het betekende dat het team de ontwikkeling van de nieuwe technologie enorm kon versnellen. “Hoewel de patronen op nanoschaal onder de resolutielimiet van de optische microscoop liggen, de nanokristallen fungeren als lichtbron, zichtbaar maken, ', zegt Mentzel.

De elektrische geleidbaarheid van de defectvrije films van de onderzoekers is ongeveer 180 keer groter dan die van de gebarsten films die met conventionele methoden zijn gemaakt. In aanvulling, het door het MIT-team ontwikkelde proces heeft het al mogelijk gemaakt om patronen te creëren op een siliciumoppervlak met een diameter van slechts 30 nanometer - ongeveer de grootte van de fijnste functies die mogelijk zijn met de huidige productietechnieken.

Het proces is uniek in het produceren van zulke kleine patronen van defectvrije films, zegt Menzel. “De truc was om de film uniform te maken, en te plakken” aan het siliciumdioxidesubstraat, voegt Kastner toe. Dat werd bereikt door een dunne laag polymeer achter te laten om het oppervlak te coaten voordat de laag nanokristallen erop werd afgezet. De onderzoekers vermoeden dat kleine organische moleculen op het oppervlak van de nanokristallen hen helpen zich te binden aan de polymeerlaag.

Dergelijke nanokristalpatronen kunnen veel toepassingen hebben, zegt Kastner. Omdat deze nanokristallen niet alleen kunnen worden afgestemd om een ​​breed spectrum aan kleuren licht uit te zenden, maar ook om ze te absorberen, ze kunnen een nieuw soort breedspectrumzonnecel mogelijk maken, hij zegt.

Maar de persoonlijke interesse van Kastner en Mentzel heeft meer te maken met elementaire fysica:aangezien de minuscule kristallen zich bijna als te grote atomen gedragen, de onderzoekers willen de arrays gebruiken om fundamentele processen van vaste stoffen te bestuderen, zegt Menzel. Het succes van deze techniek heeft al nieuw onderzoek mogelijk gemaakt naar de manier waarop elektronen in de films bewegen.

Dergelijke materialen kunnen ook worden gebruikt om gevoelige detectoren te ontwikkelen voor kleine hoeveelheden van bepaalde biologische moleculen, hetzij als screeningsystemen voor toxines of als medische testapparatuur, zeggen de onderzoekers.

Douglas Natelson, een professor in natuurkunde en sterrenkunde aan de Rice University die niet betrokken was bij dit werk, zegt, “De uitdaging in het verleden was het bereiken van dunne, uniforme films, patroon met hoge resolutie, met goed contact tussen de nanokristallen en geen barsten.” De aanpak van het MIT-team, hij zegt, “Hoewel bedrieglijk eenvoudig van uiterlijk, al deze doelen bereikt.”

Natelson voegt toe:“Ik vind dit een hele mooie prestatie. De fluorescentiebeelden die de films met nanopatroon laten zien, zijn oogverblindend, vooral voor degenen die weten hoe zwaar dit is.”

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.