Quantum dots zijn halfgeleiderdeeltjes ter grootte van nanometers met mogelijke toepassingen in zonnecellen en elektronica. Wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen en hun collega's van ETH Zürich hebben nu ontdekt hoe ze de efficiëntie van ladingsgeleiding in lood-zwavel-kwantumdots kunnen verhogen. Hun resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang op 29 sept.

Quantum dots zijn clusters van ongeveer 1, 000 atomen die fungeren als één groot 'superatoom'. De punten, die worden gesynthetiseerd als colloïden, d.w.z. gesuspendeerd in een vloeistof zoals een soort verf, kan worden georganiseerd in dunne films met eenvoudige oplossingsgebaseerde verwerkingstechnieken. Deze dunne films kunnen licht omzetten in elektriciteit. Echter, wetenschappers hebben ontdekt dat de elektronische eigenschappen een knelpunt zijn. "Vooral de geleiding van gaten, de positieve tegenhanger van negatief geladen elektronen, " legt Daniel Balazs uit, doctoraat student in de Photophysics and Optoelectronics groep van Prof. Maria A. Loi aan het Zernike Institute for Advanced Materials van de Rijksuniversiteit Groningen.

Stoïchiometrie

Loi's groep werkt met loodsulfide kwantumstippen. Wanneer licht in deze stippen een elektron-gatpaar produceert, het elektron en het gat bewegen niet met dezelfde efficiëntie door de assemblage van stippen. Wanneer het vervoer van een van beide beperkt is, de gaten en elektronen kunnen gemakkelijk recombineren, wat de efficiëntie van de omzetting van licht naar energie vermindert. Balazs ging daarom op zoek naar het verbeteren van de slechte geleiding van gaten in de quantum dots en het vinden van een toolkit om deze klasse materialen afstembaar en multifunctioneel te maken.

"De wortel van het probleem is de loodzwavelstoichiometrie, " legt hij uit. In kwantumstippen, bijna de helft van de atomen bevindt zich op het oppervlak van het superatoom. In het lood-zwavelsysteem loodatomen vullen bij voorkeur het buitenste deel, wat een verhouding van lood tot zwavel betekent van 1:3 in plaats van 1:1. Door deze overmaat aan lood is deze kwantumdot een betere geleider van elektronen dan gaten.

Dunne films

Bij stortgoed, transport wordt over het algemeen verbeterd door het materiaal te "dopen":toevoeging van kleine hoeveelheden onzuiverheden. Echter, pogingen om zwavel toe te voegen aan de kwantumstippen zijn tot nu toe mislukt. Maar nu, Balazs en Loi hebben een manier gevonden om dit te doen en zo de mobiliteit van gaten te vergroten zonder de mobiliteit van elektronen te beïnvloeden.

Veel groepen hebben geprobeerd de toevoeging van zwavel te combineren met andere productiestappen. Echter, dit veroorzaakte veel problemen, zoals het verstoren van de assemblage van de stippen in de dunne film. In plaats daarvan, Balazs produceerde eerst bestelde dunne films en voegde daarna geactiveerde zwavel toe. Zwavelatomen werden dus met succes toegevoegd aan het oppervlak van de kwantumstippen zonder de andere eigenschappen van de film aan te tasten. "Een zorgvuldige analyse van de chemische en fysische processen tijdens de assemblage van quantum dot dunne films en de toevoeging van extra zwavel waren wat nodig was om dit resultaat te krijgen. Daarom is onze groep, met medewerking van onze chemiecollega's uit Zürich, is uiteindelijk gelukt."

Apparaten

Loi's team kan nu verschillende hoeveelheden zwavel toevoegen, waardoor ze de elektrische eigenschappen van de superatoomassemblages kunnen afstemmen. "We weten nu dat we de efficiëntie van quantum dot-zonnecellen kunnen verbeteren tot boven het huidige record van 11 procent. De volgende stap is om te laten zien dat deze methode ook andere soorten functionele apparaten kan maken, zoals thermo-elektrische apparaten." Het onderstreept de unieke eigenschappen van kwantumstippen:ze fungeren als één atoom met specifieke elektrische eigenschappen. "En nu kunnen we ze assembleren en hun elektrische eigenschappen engineeren zoals we willen. Dat is iets dat onmogelijk is met bulkmaterialen en het opent nieuwe perspectieven voor elektronische en opto-elektronische apparaten."