(Phys.org) —Quantum dots—kleine halfgeleiderkristallen met een diameter gemeten in miljardsten van een meter—hebben een enorm potentieel voor toepassingen die gebruik maken van hun vermogen om licht en/of elektrische ladingen te absorberen of uit te zenden. Voorbeelden zijn levendiger gekleurde lichtgevende diodes (LED's), fotovoltaïsche zonnecellen, nanoschaaltransistors, en biosensoren. Maar omdat deze toepassingen verschillende - soms tegengestelde - vereisten hebben, het vinden van manieren om de optische en elektronische eigenschappen van de stippen te controleren, is cruciaal voor hun succes.

In een onderzoek dat zojuist in het tijdschrift is gepubliceerd Chemische communicatie , wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, Stony Brook-universiteit, en Syracuse University laten zien dat het verkleinen van de kern van een kwantumdot het vermogen van een omringend polymeer kan vergroten om elektrische ladingen te extraheren die in de stip worden gegenereerd door de absorptie van licht.

"Fotovoltaïsche cellen gemaakt van kwantumdots gecombineerd met plastic materialen zoals geleidende polymeren zijn veel gemakkelijker te maken en goedkoper dan conventionele zonnecellen op basis van silicium, " zei Mircea Cotlet, een fysisch chemicus bij Brookhaven's Centre for Functional Nanomaterials (CFN), die het onderzoeksteam leidde. "Dit soort materialen zijn goedkoop, gemakkelijk te synthetiseren, en hun montage zou relatief eenvoudig zijn."

Het nadeel is dat, direct, zonne-apparaten op basis van silicium kunnen niet kloppen op het gebied van efficiëntie. Maar onderzoek gericht op het begrijpen van het fotovoltaïsche proces op nanoschaal zou daar verandering in kunnen brengen.

"Het vermogen om afzonderlijke deeltjes bij het CFN te maken en te bestuderen, stelt ons in staat om eigenschappen te observeren en te testen die wazig zouden zijn, of uitgemiddeld, in grotere steekproeven, " zei Huidong Zang, een postdoctoraal onderzoeker die samenwerkt met Cotlet en eerste auteur op het papier.

In een zonnecel, het ideale materiaal zou veel licht absorberen en die energie efficiënt omzetten in elektrische ladingen die gemakkelijk als stroom kunnen worden geëxtraheerd. Om de details van dit proces te bestuderen, de wetenschappers gebruikten kwantumstippen bestaande uit een lichtabsorberende cadmium-seleniumkern omhuld door een beschermende zinksulfideschaal en omgeven door een geleidend polymeer. Ze testten het vermogen van het polymeer om elektrische ladingen te extraheren die werden gegenereerd toen de kwantumstippen licht absorbeerden, en voerde experimenten uit met behulp van kwantumstippen met kernen van verschillende groottes.

"We wisten uit theoretische voorspellingen dat de deeltjesgrootte een effect zou moeten hebben op de ladingsoverdracht met het polymeer, maar niemand had dit tot nu toe als experiment gedaan, en in het bijzonder op het niveau van één deeltje, ' zei Colet.

Toen ze de grootte van de kern van de kwantumstip varieerden, de wetenschappers ontdekten dat hoe kleiner de diameter, hoe efficiënter en consistenter het proces van ladingoverdracht.

"Door een kleinere kern te gebruiken, we hebben de efficiëntie van het ladingsoverdrachtsproces verhoogd en de verdeling van de ladingsoverdrachtssnelheid verkleind, zodat het dichter bij het ideaal was met minder variabiliteit, ' zei Zang.

De wetenschappers onderzochten een bepaald type ladingsoverdracht dat wordt gecreëerd door de beweging van "gaten" - gebieden met positieve lading die worden gecreëerd door de afwezigheid van negatief geladen elektronen. Bij elektronische apparaten, gaten kunnen net als elektronen worden gekanaliseerd om elektrische stroom te creëren. En in dit geval had het extraheren van gaten een bijkomend voordeel:het verlengde de tijd dat kwantumstippen, die in een knipperend patroon aan en uit gaan, bleef in de "aan" toestand.

"Hole transfer remt knipperen, " zei Cotlet. "Het houdt de kwantumstip langer optisch actief, wat beter is voor het fotovoltaïsche proces, omdat ladingen alleen kunnen worden geëxtraheerd als de kwantumstip aan staat."

"Het zou onmogelijk zijn om dit effect te zien met bulkmonsters, omdat je de 'aan' en 'uit'-toestanden niet kunt zien. Wanneer veel kwantumstippen met elkaar worden gemengd, de signalen gemiddeld uit. Je kunt het alleen zien door naar de enkele nanodeeltjes te kijken."

De groep van Cotlet had eerder een soortgelijk onderzoek uitgevoerd waarbij kwantumstippen werden gekoppeld aan koolstofrijke buckyballs. In die studie, ze vonden het tegenovergestelde effect:Buckyballs verminderde de "aan"-tijd van de stippen terwijl de overdracht van elektronen werd verbeterd.

In andere toepassingen kammen stippen en polymeren, zoals leds of biosensoren, wetenschappers zoeken naar manieren om ladingsoverdracht te onderdrukken, aangezien dit proces nadelig wordt.

"Het kennen van deze basisprincipes en het beheersen van deze processen op nanoschaal zou ons moeten helpen het gebruik van kwantumstippen voor een breed scala aan toepassingen te optimaliseren, ' zei Colet.