Wetenschappers van het Center for Functional Nanomaterials (CFN) - een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Brookhaven National Laboratory - hebben een opto-elektronische beeldvormingstechniek gebruikt om het elektronische gedrag van atomair dunne nanomaterialen die aan licht worden blootgesteld te bestuderen. Gecombineerd met optische beeldvorming op nanoschaal, deze scanning-fotostroommicroscopietechniek biedt een krachtig hulpmiddel voor het begrijpen van de processen die de opwekking van elektrische stroom (fotostroom) in deze materialen beïnvloeden. Een dergelijk begrip is de sleutel tot het verbeteren van de prestaties van zonnecellen, optische sensoren, lichtgevende dioden (LED's), en andere opto-elektronica - elektronische apparaten die afhankelijk zijn van interacties tussen licht en materie om licht om te zetten in elektrische signalen of omgekeerd.

"Iedereen die wil weten hoe door licht geïnduceerde elektrische stroom wordt verdeeld over een halfgeleider, zal profiteren van deze mogelijkheid, " zei CFN-materiaalwetenschapper Mircea Cotlet, co-corresponderende auteur op de Advanced Functional Materials-paper van 17 mei die het werk beschrijft.

Een elektrische stroom opwekken

Wanneer geraakt met licht, halfgeleiders (materialen die een elektrische weerstand hebben tussen die van metalen en isolatoren) wekken een elektrische stroom op. Halfgeleiders die uit één laag of enkele lagen atomen bestaan, bijvoorbeeld grafeen, die een enkele laag koolstofatomen heeft - zijn van bijzonder belang voor de volgende generatie opto-elektronica vanwege hun gevoeligheid voor licht, die hun elektrische geleidbaarheid en mechanische flexibiliteit controleerbaar kunnen veranderen. Echter, de hoeveelheid licht die atomair dunne halfgeleiders kunnen absorberen is beperkt, waardoor de reactie van de materialen op licht wordt beperkt.

Om de lichtoogst-eigenschappen van deze tweedimensionale (2-D) materialen te verbeteren, wetenschappers voegen kleine (10-50 atomen in diameter) halfgeleidende deeltjes toe die kwantumstippen worden genoemd in de laag (lagen). De resulterende "hybride" nanomaterialen absorberen niet alleen meer licht, maar hebben ook interacties die plaatsvinden op het grensvlak waar de twee componenten elkaar ontmoeten. Afhankelijk van hun grootte en samenstelling, de door licht opgewekte kwantumstippen zullen ofwel lading ofwel energie overdragen aan het 2D-materiaal. Weten hoe deze twee processen de fotostroomrespons van het hybride materiaal beïnvloeden onder verschillende optische en elektrische omstandigheden, zoals de intensiteit van het invallende licht en de aangelegde spanning, is belangrijk voor het ontwerpen van opto-elektronische apparaten met eigenschappen die zijn afgestemd op bepaalde toepassingen.

"Fotodetectoren nemen een extreem laag lichtniveau waar en zetten dat licht om in een elektrisch signaal. " legde Cotlet uit. "Aan de andere kant, fotovoltaïsche apparaten zoals zonnecellen zijn gemaakt om zoveel mogelijk licht te absorberen om een ​​elektrische stroom te produceren. Om een ​​apparaat te ontwerpen dat werkt voor fotodetectie of fotovoltaïsche toepassingen, we moeten weten welke van de twee processen - lading of energieoverdracht - gunstig is."

Oplichten van laad- en energieoverdrachtsprocessen

In dit onderzoek, de CFN-wetenschappers combineerden atomair dun molybdeendisulfide met kwantumstippen. Molybdeendisulfide is een van de overgangsmetaaldichalcogeniden, halfgeleidende verbindingen met een overgangsmetaal (in dit geval molybdeen) laag ingeklemd tussen twee dunne lagen van een chalcogeenelement (in dit geval zwavel). Om de interface-interacties te beheersen, ze ontwierpen twee soorten kwantumstippen:een met een samenstelling die ladingsoverdracht bevordert en de andere met een samenstelling die energieoverdracht bevordert.

"Beide soorten hebben cadmiumselenide in hun kern, maar een van de kernen is omgeven door een omhulsel van zinksulfide, " legt CFN-onderzoeksmedewerker en eerste auteur Mingxing Li uit. "De schaal is een fysieke afstandhouder die voorkomt dat ladingsoverdracht plaatsvindt. De core-shell quantum dots bevorderen energieoverdracht, terwijl de core-only quantum dots de ladingsoverdracht bevorderen."

De wetenschappers gebruikten de cleanroom in de CFN Nanofabrication Facility om apparaten te maken met de hybride nanomaterialen. Om de prestaties van deze apparaten te karakteriseren, ze voerden scanning-fotostroommicroscopieonderzoeken uit met een interne optische microscoop met behulp van bestaande apparatuur en de open-source GXSM-instrumentbesturingssoftware ontwikkeld door CFN-natuurkundige en co-auteur Percy Zahl. Bij het scannen van fotostroommicroscopie, een laserstraal wordt over het apparaat gescand terwijl de fotostroom op verschillende punten wordt gemeten. Al deze punten worden gecombineerd om een ​​elektrische stroom "kaart" te produceren. Omdat lading en energieoverdracht verschillende elektrische handtekeningen hebben, wetenschappers kunnen deze techniek gebruiken om te bepalen welk proces achter de waargenomen fotostroomrespons zit.

De kaarten in deze studie onthulden dat de fotostroomrespons het hoogst was bij blootstelling aan weinig licht voor het hybride apparaat met alleen de kern (ladingsoverdracht) en bij hoge blootstelling aan licht voor het hybride apparaat met kern en schaal (energieoverdracht). Deze resultaten suggereren dat ladingsoverdracht buitengewoon gunstig is voor het apparaat dat functioneert als een fotodetector, en energieoverdracht heeft de voorkeur voor fotovoltaïsche toepassingen.

"Het onderscheiden van energie- en ladingsoverdrachten uitsluitend door optische technieken, zoals fotoluminescentie-beeldvormingsmicroscopie, is een uitdaging omdat beide processen de levensduur van de luminescentie in vergelijkbare mate verminderen, "Zei CFN-materiaalwetenschapper en co-corresponderende auteur Chang-Yong Nam. "Ons onderzoek toont aan dat opto-elektronische metingen die gelokaliseerde optische excitatie en fotostroomopwekking combineren, niet alleen elk proces duidelijk kunnen identificeren, maar ook potentiële opto-elektronische apparaattoepassingen suggereren die geschikt zijn voor elk geval."

"Bij de CFN, we doen experimenten om te bestuderen hoe nanomaterialen functioneren onder reële bedrijfsomstandigheden, "zei Cotlet. "In dit geval, we hebben de optische expertise van de Soft en Bio Nanomaterials Group gecombineerd, expertise op het gebied van apparaatfabricage en elektrische karakterisering van de Electronic Nanomaterials Group, en software-expertise van de Interface Science and Catalysis Group om bij de CFN een capaciteit te ontwikkelen waarmee wetenschappers opto-elektronische processen in een verscheidenheid aan 2D-materialen kunnen bestuderen. De nieuwe scanning photocurrent microscopie-faciliteit staat nu open voor CFN-gebruikers, en we hopen dat deze mogelijkheid meer gebruikers naar de fabricage- en karakteriseringsfaciliteiten van CFN zal trekken om de prestaties van opto-elektronische apparaten te bestuderen en te verbeteren."