Onderzoekers van het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy hebben germaniumnanodeeltjes ontwikkeld met verbeterde fotoluminescentie, waardoor ze potentieel betere materialen zijn voor zonnecellen en beeldsondes. Het onderzoeksteam ontdekte dat door tin toe te voegen aan de germaniumkern van het nanodeeltje, de roosterstructuur kwam beter overeen met de roosterstructuur van de cadmiumsulfidecoating waardoor de deeltjes meer licht kunnen absorberen.

"Voor een fotovoltaïsch materiaal, natuurlijk is het absorberen van licht het eerste deel en het omzetten van die zonne-energie in elektrische energie het tweede deel, "Zei Ames Laboratory-wetenschapper Emily Smith. "Dus je wilt een materiaal dat beide efficiënt doet. Germanium heeft enkele gewenste eigenschappen voor fotovoltaïsche materialen, maar helaas absorbeert het het licht niet goed."

Een deel van het probleem is dat het buitenoppervlak van germaniumnanodeeltjes in de loop van de tijd verandert, voornamelijk door oxidatie. Eerder werk van de groep van Ames Laboratory-wetenschapper Javier Vela ontdekte dat het coaten van nanodeeltjes - gewoonlijk oppervlaktepassivering genoemd - het vermogen van de nanodeeltjes om licht te absorberen verbeterde.

"We meten de absorptie niet echt, "Smit legde uit, "we meten de luminescentie - de hoeveelheid licht die wordt afgegeven nadat een foton is geabsorbeerd."

"Het feit dat germanium licht niet goed absorbeert, is een eenvoudige manier om te zeggen dat het een indirect bandgap-materiaal is, " voegde Smit toe, "en we proberen een directer bandgap-materiaal te maken, een die licht beter absorbeert."

Volgens de onderzoeksliteratuur de toevoeging van tin blijkt de lichtabsorptie-eigenschappen van germanium te verbeteren. Echter, de Ames Laboratory-onderzoekers ontdekten dat zelfs met het toevoegen van tin, de nanodeeltjes hadden nog steeds een oppervlaktecoating nodig. Maar ze ontdekten ook dat de relatie tussen de atomaire structuur van de oppervlaktecoating en het kernmateriaal de lichtabsorptie verder kan verbeteren.

De specifieke methode die wordt gebruikt, wordt opeenvolgende ionenlaagadsorptie en -reactie of 'SILAR' genoemd, die enkele jaren geleden voor het eerst werd aangepast aan colloïden van groep IV.

"We hebben jarenlang de expertise ontwikkeld die nodig is om ingewikkelde kern / schaal en andere goed gedefinieerde nanodeeltjes te kweken, "Vela zei, "Door onze samenwerking met de groep van Emily Smith, we hopen door te gaan met ons vermogen om energiestromen op nanoschaal te manipuleren en te sturen."

Met behulp van transmissie-elektronenmicroscopiebeeldvorming en poederröntgendiffractie om de structurele kenmerken van de nanodeeltjes en Raman- en fotoluminescentiespectroscopieën te bestuderen om roosterspanning en fotoluminescentiegedrag te kwantificeren, de groep vond een correlatie tussen de hoeveelheid tin in de kern en hoe goed het rooster van de kern overeenkwam met dat van de cadmium-sulfide buitenste schil.

"De atomen bevinden zich op een zeer specifieke locatie in de nanokristalkern en wanneer je de schaal rond het nanokristal aanbrengt, de atomen van de schaal passen mogelijk niet perfect bij de atomen van de kern, " Smith zei. "Met het germanium alleen materiaal dat eerder werd gebruikt, de kern en de schaal kwamen niet perfect overeen."

"Toen we de germanium-tindeeltjes bestudeerden, we stelden voor dat ze beter werkten omdat de afstand van de atomen beter overeenkomt met de afstand van de atomen die we in de vachtlaag gebruikten, "zei ze. "Door dat te doen, je krijgt een meer perfecte schaal die minder snel chemische veranderingen aan het oppervlak van de nanodeeltjeskern veroorzaakt."

Een ander potentieel gebruik voor dit materiaal, naast fotovoltaïsche, is dat in microscopie of beeldvorming, onderzoekers moeten een eiwit of ander kenmerk vaak "labelen" met een nanodeeltjes "sonde" om het te laten oplichten, zodat het gemakkelijker te zien en te bestuderen is.

De onderzoeksresultaten, "Germanium-Tin/Cadmium Sulfide Core/Shell Nanokristallen met verbeterde nabij-infrarood fotoluminescentie, " werden gepubliceerd in het tijdschrift van de American Chemical Society Chemie van materialen .