Onderzoekers van ETH hebben de eerste theoretische verklaring gegeven voor hoe elektrische stroom wordt geleid in halfgeleiders gemaakt van nanokristallen. In de toekomst, dit zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe sensoren, lasers of leds voor tv-schermen.

Een paar jaar geleden, we maakten kennis met tv-schermen met QLED-technologie die schitterende kleuren produceren. De "Q" staat hier voor "quantum dot". Quantum dots zijn kristallen van een halfgeleidermateriaal van slechts enkele nanometers groot en bestaan ​​uit een paar duizend atomen. Die nanokristallen zijn zo klein dat de elektronen erin alleen bepaalde goed gedefinieerde kwantummechanische energieniveaus kunnen aannemen. Als gevolg hiervan, wanneer kwantumstippen worden verlicht door de achtergrondverlichting van een tv, licht van een bepaalde kleur wordt uitgezonden door kwantumsprongen tussen die niveaus.

In de volgende generatie QLED-tv's, de hoop is om elektriciteit te gebruiken om de kwantumstippen uit zichzelf te laten gloeien in plaats van een achtergrondverlichting nodig te hebben. Tot nu toe, echter, het theoretische begrip van hoe elektrische stroom door een dunne film van nanokristallen beweegt, ontbrak. Een team van onderzoekers van de afdeling Informatietechnologie en Elektrotechniek van ETH Zürich onder leiding van Vanessa Wood heeft die kloof nu gedicht, zoals ze rapporteren in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

Veermatras versus tafelblad

De theorie van hoe elektrische stroom beweegt in halfgeleiders die geen nanogrootte hebben, is al meer dan negentig jaar bekend en er bestaan ​​softwaretools om hun gedrag te modelleren. De industrie kan de elektronische eigenschappen van halfgeleiders controleren door opzettelijk onzuivere atomen toe te voegen (doping), waardoor het aantal gratis ladingsdragers (elektronen) verandert. Daarentegen, halfgeleiders die uit veel kleine nanokristal-kwantumdots bestaan, kunnen met die methoden niet worden behandeld.

In nanokristallen, het toevoegen van onzuivere atomen leidt niet noodzakelijkerwijs tot gratis ladingdragers. Verder, gratis kosten gedragen zich niet op dezelfde manier. "Ladingsdragers in een normale halfgeleider bewegen als bowlingballen die op een glad tafelblad rollen, terwijl ze zich in een nanokristalmateriaal gedragen als bowlingballen op een zachte matras, inzinken en vervormen, "Hout illustreert het probleem.

Veeleisende modellering

Voor de theoretische modellering betekent dit dat de atomen in het kristalrooster van de nanokristalhalfgeleider niet zomaar kunnen worden gezien als stationaire punten, dat is wat meestal wordt gedaan met normale halfgeleiders. "Liever, we moesten elk van de honderdduizenden atomen in de vele nanokristallen van het materiaal wiskundig beschrijven, en hoe elk atoom interageert met ladingsdragers, " legt Nuri Yazdani uit, die in Wood's onderzoeksgroep werkte als een Ph.D. student en is eerste auteur van de recent gepubliceerde studie.

Met behulp van het Zwitserse Supercomputing Center CSCS in Lugano, Yazdani voerde een complexe code uit waarin rekening werd gehouden met alle details van het probleem - de beweging van de elektronen en de atomen en de interacties daartussen. "Vooral, we wilden begrijpen hoe ladingsdragers bewegen tussen de enkele nanokristallen en waarom ze 'gevangen' raken en niet verder kunnen, ' zegt Yazdani.

De resultaten van die computersimulaties waren buitengewoon onthullend. Het bleek dat de allerkleinste vervormingen van de kristallen de bepalende factor zijn in hoe een materiaal bestaande uit vele nanokristallen elektrische stroom geleidt, slechts een paar duizendsten van een nanometer, die leiden tot een enorme verandering in elektrostatische energie. Wanneer lading het materiaal eromheen vervormt, dit staat bekend als een polaron, en Yazdani's simulaties laten zien dat stroom door polaronen vloeit die van het ene nanokristal naar het andere springen.

Eén model legt alles uit

Het model legt uit hoe de elektronische eigenschappen van de op nanokristallen gebaseerde halfgeleiders worden veranderd door de grootte van de nanokristallen te variëren en hoe ze in de film worden verpakt. Om de voorspellingen van hun simulaties te testen, het team produceerde dunne films van nanokristallen in het laboratorium en mat de elektrische respons voor verschillende toegepaste spanningen en temperaturen. Bij die experimenten ze creëerden vrije elektronen aan het ene uiteinde van het materiaal met behulp van een korte laserpuls en observeerden ze toen ze aan het andere uiteinde aankwamen. Het resultaat:voor elk van de honderden verschillende tests, de computersimulatie voorspelde perfect de elektrische eigenschappen.

"Na acht jaar intensief werk, we hebben nu een model gemaakt dat eindelijk niet alleen onze experimenten kwantitatief kan verklaren, maar ook die van vele andere onderzoeksgroepen van de afgelopen jaren, ", zegt Wood. "Zo'n model zal onderzoekers en ingenieurs in de toekomst in staat stellen om de eigenschappen van een nanokristalhalfgeleider te berekenen nog voordat deze wordt geproduceerd." Dit moet het mogelijk maken om dergelijke materialen te optimaliseren voor bepaalde toepassingen. "Tot nu toe, dit moest met vallen en opstaan, ’, voegt Hout eraan toe.

Met behulp van de resultaten van de ETH-onderzoekers, in de toekomst zouden uit nanokristallen materialen bruikbare halfgeleiders kunnen worden ontwikkeld voor verschillende toepassingen in sensoren, lasers of LED's, ook voor tv-schermen. Als de compositie, maat, en rangschikking van de nanokristallen kan worden gecontroleerd tijdens hun productie, dergelijke materialen beloven een veel grotere verscheidenheid aan elektrische eigenschappen dan traditionele halfgeleiders.