Loodsulfide nanokristallen die geschikt zijn voor zonnecellen hebben een bijna één-op-één verhouding van lood tot zwavelatomen, maar MIT-onderzoekers ontdekten dat om kwantumdots van uniforme grootte te maken, een hogere verhouding van lood tot zwavelprecursoren - 24 op 1 - is beter.

Mark C. Weidman, afgestudeerde student chemische technologie aan het MIT, ontwikkelde het synthetische recept in het laboratorium van William A. Tisdale, de Charles en Hilda Roddey Career Development Professor in Chemical Engineering aan het MIT, met collega's Ferry Prins, Rachel S. Hoffman en zomerwetenschapper Megan Beck uit 2013. Uniformiteit van grootte kan lange exciton-diffusielengtes in loodsulfide (PbS) quantum-dot-films bevorderen, zegt Weidman.

Gewoonlijk worden kwantumstippen gesynthetiseerd als een colloïde, met deeltjes gesuspendeerd in een vloeistof. Als de kwantumstippen allemaal even groot zijn, ze kunnen zichzelf assembleren tot een geordend rooster. "Als ze monodispers genoeg zijn, het is de thermodynamisch favoriete toestand, ' legt Weidman uit.

Hij bevestigde de monodispersiteit van zijn films met transmissie-elektronen- en scanning-elektronenmicroscopie. Weidman reisde ook naar de National Synchrotron Light Source in Brookhaven National Laboratory op Long Island, NY, om grazing-inval small-angle X-ray scattering (GISAXS) en wide-angle X-ray scattering (WAXS) studies van zijn dunne films uit te voeren.

"Mark en Megan waren in staat om extreem monodispers te maken, ongekende monodispersiteit in dit specifieke type nanokristal, loodsulfide, Tisdale zegt. Weidman ontrafeld het mechanisme voor de uniforme grootte en structuur.

Weidman, die verwacht in 2016 te promoveren aan het MIT, is geïnteresseerd in loodsulfide vanwege het gebruik ervan voor zonnecellen. "In zoiets als een loodsulfidefilm die wordt gebruikt voor fotovoltaïsche voor zonnecellen, in dat geval wil je dat je quantum dots licht absorberen. Maar dan wil je niet dat het opnieuw wordt uitgezonden. Je wilt dat elektron en gat nemen en ze in feite uit de film halen, breng ze naar een extern circuit. Dus, je wilt de diffusie in je film maximaliseren; je wilt dat het heel gemakkelijk is om dit elektron en gatenpaar terug te trekken en je wilt een lange levensduur van dat elektron en gatenpaar, zodat je veel tijd hebt om door de film te dwalen en eruit gehaald te worden, ' zegt Weidman.

"We hopen manieren te vinden om de efficiëntie van zonnecellen beter te verhogen door je diffusielengtes in films van loodsulfide veel langer te maken, en op die manier is het gemakkelijker om ladingsdragers uit de film te extraheren."

Diffusielengte verwijst naar het proces van excitonen (paren van tegengesteld geladen elektronen en gaten) die bewegen, of "hoppen, " van kwantumpunt naar kwantumpunt, of van quantum dots naar een naburig materiaal. Zowel de afstand die excitonen afleggen als hun levensduur zijn van invloed op potentiële toepassingen. Weidman was co-auteur van een gezamenlijke studie onder professoren Tisdale, Vladimir Bulovic, en Adam Willard van diffusie in vaste kwantumdots, die de levensduur van excitonen heeft gemeten en de lengte van de excitondiffusie heeft gemodelleerd. Mede-afgestudeerde student A. Jolene Mork assisteerde bij monstervoorbereiding en bij transiënte spectroscopiemetingen.

Voor dat onderzoek Weidman voerde elektronenmicroscopie en analyse uit met behulp van beeldverwerkingstools en MATLAB-programmering om de scheiding te bepalen, of fysieke afstand, tussen quantum dots in de film. De cadmiumselenide-kernquantumstippen met een cadmiumzinkzwavelschil hadden een gemiddelde afstand van hart tot hart van ongeveer 7,9 nanometer uit elkaar. "Wat we hebben geleerd, is dat je de hart-op-hart afstand zo klein mogelijk wilt maken om een ​​langere diffusielengte te hebben, om uw diffusielengte te maximaliseren, ' zegt Weidman.

Quantum dots worden ook gewaardeerd vanwege hun eigenschap om van kleur te veranderen als ze van grootte veranderen, die is gekoppeld aan hun veranderende bandgap. Om een ​​consistente kleur te hebben, je moet een consistente grootte hebben tussen een ensemble van kwantumstippen. Tisdale-groepscollega Elizabeth M.Y. (Liza) Lee simuleerde groottevariaties in de quantum-dot-film voor het onderzoek, Weidman merkt op. "Dit artikel laat min of meer zien dat je kunt bepalen hoeveel energetische diffusie optreedt in films van kwantumstippen door aan te passen hoe dichtbij ze fysiek zijn, " hij legt uit.

"De andere grote implicatie in dit artikel is dat van wat we in sommige simulaties zagen, een energetische stoornis kan goed zijn in deze films om de bal aan het rollen te krijgen bij energiediffusie. Als je wat variaties in grootte hebt en dat geeft je energievariaties, als je dan deze film opwindt, en je krijgt deze populatie van opgewonden kwantumstippen, dan zijn sommige van hen meer energie dan andere, sommigen van hen zijn lagere energieën, dus natuurlijk zullen de excitonen op de hogere energie kwantumstippen de plaats met lagere energie vinden, en dat is energiediffusie. Dus een klein beetje variatie in grootte kan helpen om dat proces te versnellen, " zegt Weidman. "Als je het ziet als een heuvelachtig landschap, je hebt deze excitonen die op de top van de heuvel zijn, en ze vinden een manier om naar de bodem van de heuvel te rollen, terwijl als je een volledig homogene film zou hebben die vlak in energie is, dan begin je niet zo snel met energiediffusie."

Weidman is hoofdauteur a Chemie van materialen paper dat de superroostervorming van loodsulfide-nanokristallen verder onderzocht en karakteriseerde. "We kunnen superroosters met een groot bereik maken waarin niet alleen de kwantumstippen zijn geordend, maar hun atomaire vlakken zijn ook uitgelijnd, Weidman legt uit. "We hebben ook ontdekt dat we de ligandsoort op het oppervlak van onze kwantumstippen kunnen veranderen, een geweldige manier om de filmeigenschappen te wijzigen, tot meer compacte en functionele soorten zonder de superroosterrangschikking te verstoren." Hij doet momenteel onderzoek naar het transporteren van energie over lange afstanden in infraroodmaterialen, die van toepassing kunnen zijn op zonnecellen.

Weidman, een 26-jarige afgestudeerde van de Universiteit van Delaware, komt oorspronkelijk uit Haddonfield, N.J. Na het behalen van zijn doctoraat aan het MIT, hij is van plan om een ​​baan in de industrie te krijgen. “Ik wil graag met nanomaterialen blijven werken, "zegt hij. "Ik vind het een heel spannend gebied."

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.