Wetenschappers van Los Alamos National Laboratory hebben magnetisch gedoteerde kwantumstippen gesynthetiseerd die de kinetische energie van elektronen vastleggen die door ultraviolet licht worden gecreëerd voordat het als warmte wordt verspild.

"Deze ontdekking kan mogelijk nieuwe, zeer efficiënte zonnecellen, licht detectoren, fotokathoden en door licht aangedreven chemische reacties, " zei Victor Klimov, hoofdonderzoeker van het quantumdot-project van het laboratorium.

In standaard zonnecellen, een grote hoeveelheid zonlicht gaat verloren als warmte. Deze verspilling vindt plaats vanwege het gebrek aan effectieve benaderingen voor het opvangen van kinetische energie van 'hete' elektronen die worden gegenereerd door fotonen in het groene tot ultraviolette deel van het lichtspectrum van de zon. Het probleem is dat hete elektronen hun energie zeer snel verliezen door interacties met het kristalrooster waaruit de apparaten zijn gemaakt, wat leidt tot trillingen die bekend staan ​​als fononen. Dit proces vindt meestal plaats in enkele picoseconden (biljoensten van een seconde).

Eerdere pogingen om hete-dragerenergie te vangen, hebben gebruik gemaakt van de overdracht van kinetische energie van het energetische hete elektron naar een onbeweeglijk, laagenergetisch elektron dat het in een stroomgeleidende toestand brengt. Dit effect, bekend als dragervermenigvuldiging, verdubbelt het aantal elektronen dat bijdraagt ​​aan de fotostroom die kan worden gebruikt om de prestaties van zonnecellen te verbeteren. In de meeste conventionele materialen, echter, de energieverliezen aan fononen overtreffen de energiewinsten van carrier-vermenigvuldiging.

In hun onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , onderzoekers tonen aan dat het opnemen van magnetische ionen in kwantumstippen de bruikbare, energieproducerende interacties zodat ze sneller worden dan verspillende fononverstrooiing.

Om deze ideeën uit te voeren, de onderzoekers maakten met mangaan gedoteerde kwantumstippen op basis van cadmiumselenide. "Het foton dat wordt geabsorbeerd door de cadmiumselenide-kwantumstip creëert een elektron-gatpaar, of een exciton, "zei Klimov." Dit exciton wordt snel gevangen door de doteerstof en creëert een opgewonden toestand die energie opslaat net als een samengedrukte veer. Wanneer het tweede foton wordt geabsorbeerd door de kwantumdot, de opgeslagen energie wordt vrijgegeven en overgebracht naar het nieuw gecreëerde exciton en bevordert het naar een hogere energietoestand. De energie die vrijkomt door het mangaan-ion gaat gepaard met de omslag van zijn magnetische moment, bekend als spin. Daarom wordt dit proces spin-uitwisseling Auger-energieoverdracht genoemd."

Een intrigerende observatie van LANL-wetenschappers was de extreem korte tijdschaal van de spin-uitwisseling Auger-interacties - ongeveer een tiende van een picoseconde. Tot hun verbazing, deze interacties waren sneller dan fonon-emissies, waarvan algemeen werd aangenomen dat dit het snelste proces in halfgeleidermaterialen was. Om te bewijzen dat het nieuwe effect fonon-ondersteunde koeling zou kunnen verslaan, Los Alamos-onderzoekers toonden aan dat goed ontworpen magnetisch gedoteerde kwantumstippen hen in staat stelden een heet elektron te extraheren dat door een ultraviolet foton is gecreëerd voordat het zijn energie verliest om het kristalrooster te verwarmen.

Deze paradigma-verschuivende bevindingen openen spannende mogelijkheden voor het benutten van spin-uitwisseling Auger-processen in geavanceerde schema's voor het verbeteren van de prestaties van zonnecellen of het aansturen van ongebruikelijke fotochemische reacties. Ook op het gebied van hoogsensitiviteit, snelle lichtdetectie en nieuwe soorten lichtgestuurde elektronenbronnen.