Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam (UvA), in samenwerking met Japanse partners, hebben de relatie bepaald tussen de bandgap-energie van enkele cesium-loodbromide-nanokristallen (CsPbBr ₃ NC's) en hun grootte en vorm. Door individuele NC's te bestuderen die geïsoleerd of omringd zijn door 'buren', ze visualiseerden voor de eerste keer expliciet de wijziging van de bandstructuur die werd geïntroduceerd door effectieve koppeling tussen halfgeleider-NC's bij nauw contact.

Nanokristallen en perovskieten

NC's zijn extreem klein, ongeveer duizend keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar. Door hun kleine formaat, de energiestructuur van de kristallen is dramatisch verschillend van die van bulkmateriaal. In feite, de bandgap-energie is afhankelijk van de NC-grootte.

De term 'perovskieten' verwijst naar de klasse van materialen met een kristalstructuur in de vorm ABX3, en zijn vernoemd naar de Russische mineraloog Lev Perovski. Onlangs, perovskieten trekken veel aandacht vanwege hun potentieel voor zeer efficiënte en goedkope fotovoltaïsche energie. In CsPbBr3 NC's, de voordelen van perovskieten en NC's worden gecombineerd, en ze zijn daarom een ​​veelbelovend materiaal voor verschillende opto-elektronische toepassingen.

De experimentele opstelling

De state-of-the-art techniek die de onderzoekers gebruikten, wordt low-loss elektronenenergieverliesspectroscopie (EELS) genoemd en komt voort uit lage energie-excitaties, d.w.z. valentie-elektronen. Het is daarom een ​​analogie met absorptiespectroscopie. Door gebruik te maken van EELS samen met een scanning elektronentransmissie (STEM) microscoop met ultrahoge speciale resolutie, stelt de onderzoekers in staat om de NC-afmetingen en -locatie met een unieke hoge precisie te meten, parallel. Op die manier, de energieabsorptie wordt direct in kaart gebracht op individuele NC's die ofwel zijn ingebed in een ensemble (ze hebben buren) of volledig geïsoleerd zijn. Op die manier, een intieme relatie tussen de NC-grootte, vorm en energie bandgap wordt vastgesteld.

Interactie en koppeling tussen proximale nanokristallen

Door de energiebandgap van veel individuele nanokristallen te bepalen als functie van hun grootte, de onderzoekers hebben ontdekt dat kleine geïsoleerde NC's een hogere bandgap-energie lijken te hebben in vergelijking met een NC van dezelfde grootte omringd door buren. En omgekeerd, een grote NC heeft een lagere bandgap-energie indien geïsoleerd dan wanneer deze is ingebed in een ensemble. Hun resultaat laat zien dat twee aangrenzende NC's niet simpelweg 'samensmelten' bij interactie en zich voordoen als een groter kristal, maar eerder 'gemiddelde' hun bandgaps. Dit levert direct bewijs van een effectieve koppeling tussen NC's waar hun energiebandgap en dus energiestructuur, wordt beïnvloed door de buren. Deze unieke inzichten in het interactiegedrag van naburige NC's effenen de weg naar het doelgericht ontwerpen van grote kwantumstructuren en kwantum-dot-solids, bestaande uit NC's met selectieve eigenschappen die als bouwstenen dienen.