Het benutten van de kracht van de zon en het maken van lichtoogst- of lichtgevoelige apparaten vereist een materiaal dat zowel licht efficiënt absorbeert als de energie omzet in zeer mobiele elektrische stroom. Het vinden van de ideale mix van eigenschappen in één materiaal is een uitdaging, dus hebben wetenschappers geëxperimenteerd met manieren om verschillende materialen te combineren om "hybriden" met verbeterde functies te creëren.

In twee zojuist gepubliceerde artikelen, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, Stony Brook-universiteit, en de Universiteit van Nebraska beschrijven zo'n benadering die de uitstekende lichtoogst-eigenschappen van kwantumstippen combineert met de afstembare elektrische geleidbaarheid van een gelaagde tindisulfidehalfgeleider. Het hybride materiaal vertoonde verbeterde lichtoogst-eigenschappen door de absorptie van licht door de kwantumdots en hun energieoverdracht naar tindisulfide, zowel in laboratoriumtests als bij opname in elektronische apparaten. Het onderzoek effent de weg voor het gebruik van deze materialen in opto-elektronische toepassingen zoals fotovoltaïsche energieopwekking, licht sensoren, en lichtemitterende diodes (LED's).

Volgens Mircea Cotlet, de fysisch chemicus die dit werk leidde bij Brookhaven Lab's Centre for Functional Nanomaterials (CFN), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, "Tweedimensionale metaaldichalcogeniden zoals tindisulfide hebben enkele veelbelovende eigenschappen voor zonne-energieconversie en fotodetectortoepassingen, inclusief een hoge oppervlakte-tot-volume aspectverhouding. Maar geen enkel halfgeleidend materiaal heeft het allemaal. Deze materialen zijn erg dun en absorberen slecht licht. Dus probeerden we ze te mengen met andere nanomaterialen zoals lichtabsorberende kwantumdots om hun prestaties te verbeteren door middel van energieoverdracht."

een papier, net gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano , beschrijft een fundamentele studie van het hybride quantum dot/tin disulfide materiaal op zich. Het werk analyseert hoe licht de kwantumstippen (gemaakt van een cadmiumselenidekern omgeven door een zinksulfideschil), die vervolgens de geabsorbeerde energie overbrengen naar lagen van nabijgelegen tindisulfide.

"We hebben een interessante benadering bedacht om onderscheid te maken tussen energieoverdracht en ladingsoverdracht, twee veelvoorkomende soorten interacties die door licht in dergelijke hybriden worden bevorderd, " zei Prahlad Routh, een afgestudeerde student van Stony Brook University die samenwerkt met Cotlet en co-eerste auteur van de ACS Nano papier. "We doen dit met behulp van enkele nanokristalspectroscopie om te kijken hoe individuele kwantumstippen knipperen wanneer ze interageren met bladachtig tindisulfide. Deze eenvoudige methode kan beoordelen of componenten in dergelijke halfgeleidende hybriden interageren door middel van energie of door ladingsoverdracht."

De onderzoekers ontdekten dat de snelheid voor niet-stralingsenergieoverdracht van individuele kwantumstippen naar tindisulfide toeneemt met een toenemend aantal tindisulfidelagen. Maar prestaties in laboratoriumtests zijn niet voldoende om de verdiensten van potentiële nieuwe materialen te bewijzen. Dus de wetenschappers verwerkten het hybride materiaal in een elektronisch apparaat, een foto-veld-effect-transistor, een type fotondetector dat gewoonlijk wordt gebruikt voor lichtdetectietoepassingen.

Zoals beschreven in een artikel dat op 24 maart online is gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven , het hybride materiaal verbeterde de prestaties van de foto-veldeffecttransistoren dramatisch, wat resulteerde in een fotostroomrespons (omzetting van licht in elektrische stroom) die 500 procent beter was dan transistors die gemaakt waren met alleen het tindisulfidemateriaal.

"Dit soort energieoverdracht is een sleutelproces dat fotosynthese in de natuur mogelijk maakt, " zei Chang-Yong Nam, een materiaalwetenschapper bij het Center for Functional Nanomaterials en co-corresponderende auteur van het APL-papier. "Onderzoekers hebben geprobeerd dit principe na te bootsen in elektrische apparaten die licht oogsten, maar het was vooral moeilijk voor nieuwe materiaalsystemen zoals het tindisulfide dat we bestudeerden. Ons apparaat demonstreert de prestatievoordelen die worden gerealiseerd door zowel energieoverdrachtsprocessen als nieuwe laagdimensionale materialen te gebruiken."

Cotlet concludeert, "Het idee om tweedimensionale gelaagde materialen te 'dopen' met kwantumdots om hun lichtabsorberende eigenschappen te verbeteren, is veelbelovend voor het ontwerpen van betere zonnecellen en fotodetectoren."