(Phys.org) —De kers op de taart voor halfgeleider nanokristallen die een niet-gedempt opto-elektronisch effect bieden, kan bestaan ​​als een laag tin die zich aan het oppervlak afscheidt.

Een methode om de elektrische eigenschappen van een halfgeleider te veranderen, is door onzuiverheden te introduceren die doteringen worden genoemd. Een team onder leiding van Delia Milliron, een chemicus bij de Molecular Foundry van Berkeley Lab, een nationaal nanowetenschapscentrum van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), heeft aangetoond dat net zo belangrijk als de hoeveelheid doteerstof hoe de doteerstof wordt verdeeld over het oppervlak en door het materiaal. Dit opent de deur voor het ontwerpen van de distributie van de doteerstof om te bepalen welke golflengte het materiaal zal absorberen en meer in het algemeen hoe licht interageert met de nanokristallen.

"Doping in halfgeleider nanokristallen is nog steeds een zich ontwikkelende kunst, ", zegt Milliron. "Pas de laatste jaren zijn mensen interessante optische eigenschappen gaan waarnemen als gevolg van de toevoeging van doteermiddelen aan deze materialen, maar hoe de doteermiddelen binnen de nanokristallen worden verdeeld, blijft grotendeels onbekend. Welke plaatsen ze innemen en waar ze zich in het materiaal bevinden, heeft een grote invloed op de optische eigenschappen."

Milliron's meest recente claim op roem, een "smart window"-technologie die niet alleen natuurlijke infraroodstraling (IR) blokkeert en tegelijkertijd zichtbaar licht doorlaat door transparant gecoat glas, maar maakt ook onafhankelijke controle over beide soorten straling mogelijk, vertrouwt op een gedoteerde halfgeleider die indiumtinoxide (ITO) wordt genoemd.

ITO, waarin tin (de doteringsstof) een deel van de indiumionen in indiumoxide (de halfgeleider) heeft vervangen, is het prototypische gedoteerde halfgeleider nanokristalmateriaal geworden. Het wordt gebruikt in allerlei elektronische apparaten, inclusief touchscreens displays, slimme ramen en zonnecellen.

"Het opwindende aan deze klasse materialen is dat de doteermiddelen in staat zijn om vrije elektronen te introduceren die zich met een hoge dichtheid in het materiaal vormen, waardoor ze geleidend zijn en dus bruikbaar als transparante geleiders, " zegt Milliron

Maar dezelfde elektronen zorgen ervoor dat de materialen plasmonisch zijn in het IR-deel van het spectrum. Dit betekent dat licht met een IR-golflengte kan resoneren met vrije elektronen in het materiaal:de oscillerende elektrische velden in het licht resoneren en kunnen absorptie veroorzaken.

"[Deze materialen] kunnen IR-licht absorberen op een manier die afstembaar is door de doping aan te passen, terwijl het toch transparant is voor natuurlijk zichtbaar licht. Met een instelbare hoeveelheid absorptie van IR-licht kunt u de verwarming regelen. Voor ons, dat is de drijvende applicatie, " legt Milliron uit.

Tot nu, aanpassingen zijn gemaakt door de hoeveelheid dotering in de halfgeleider te veranderen. Verbaasd over onderzoeken waarin optische eigenschappen zich niet gedroegen zoals verwacht, Milliron en University of California (UC) Berkeley PhD-kandidaat Sebastien Lounis keek naar röntgenfoto-elektronspectroscopie om elektronen nabij het oppervlak van de ITO-monsters te onderzoeken en de verdeling van elementen binnen de monsters bij de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) te onderzoeken.

De SSRL gebruikt een afstembare bundel fotonen om elektronen in het materiaal te exciteren. Als de elektronen dicht genoeg bij het oppervlak zijn, ze kunnen soms worden uitgezonden en verzameld door een detector. Deze elektronen geven informatie over de eigenschappen van het materiaal, inclusief de verhouding van de hoeveelheden van verschillende elementen zoals indium en tin in ITO. Het verhogen van de energie van de röntgenstraal laat zien hoe de samenstelling van tin en indium verandert naarmate men dieper in het monster komt. uiteindelijk, de spectroscopietechniek stelde Milliron en haar team in staat om de dopingverdeling te onderzoeken als een functie van de afstand tot het oppervlak van de nanokristallen.

Studies van twee sets monsters stelden hen in staat de tinverdeling te correleren met optische eigenschappen, en toonde aan dat de vorm en golflengte van plasmonabsorptie afhing van de tinverdeling. Het op het oppervlak gescheiden tin vertoonde verminderde activering van doteermiddelen en symmetrische plasmonresonanties, zonder demping veroorzaakt door de doteermiddelen.

"Als het tin dicht bij het oppervlak zit, het interageert slechts zwak met de meerderheid van de vrije elektronen, " legt Lounis uit. "Dit geeft ons de voordelen van doping zonder enige nadelen."

"Nu we weten hoe we moeten peilen, we kunnen gaan voor gerichte ontwerpkenmerken voor bepaalde toepassingen, " concludeert Milliron. Bewuste plaatsing van doteermiddelen door ontwerp biedt een nieuw hulpmiddel voor "het inbellen in plasmonische materialen om precies te doen wat we willen in termen van interactie met licht."

Een paper over dit onderzoek is geaccepteerd voor publicatie in de Tijdschrift van de American Chemical Society ( JACS ) in april 2014. Het artikel is getiteld "The influence of dopant distribution on the plasmon properties of indium tin oxide nanocrystals" met Lounis als hoofdauteur en Milliron als corresponderende auteur. Andere auteurs zijn Evan Runnerstorm, Amy Bergerud, en Dennis Nordlund.