Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Nieuwe studie onthult spin in de vermenigvuldiging van quantum dots-dragers

Bij spin-uitwisselingsdragervermenigvuldiging genereert een enkel geabsorbeerd foton niet één maar twee elektron-gatparen, ook bekend als excitonen, die optreden als resultaat van spin-flip-relaxatie van een aangeslagen mangaanion.

Vanwege de extreem hoge snelheid van spin-uitwisselingsinteracties vertonen de magnetisch gedoteerde kwantumdots een drievoudige verbetering in de opbrengst van de dragervermenigvuldiging vergeleken met vergelijkbaar gestructureerde ongedoteerde kwantumdots. Belangrijk is dat de verbetering vooral groot is in het bereik van fotonenergieën binnen het zonnespectrum, wat leidt tot mogelijke toepassingen van fotoconversietechnologie.

De voordelen van dragervermenigvuldiging

Normaal gesproken genereert een door een halfgeleider geabsorbeerd foton een elektron in de geleidingsband en een vacature in de valentieband die bekend staat als een 'gat'. Dit proces ligt ten grondslag aan de werking van fotodiodes, beeldsensoren en zonnecellen, waarbij de gegenereerde ladingsdragers als fotostroom worden geëxtraheerd. De door foto's gegenereerde elektronen en gaten kunnen ook nuttig zijn in de chemie, waar ze zogenaamde redoxreacties kunnen faciliteren waarbij elektronenoverdracht van de ene entiteit naar de andere plaatsvindt.

Alle soorten fotoconversieschema's zouden profiteren van dragervermenigvuldiging, een proces dat wordt geactiveerd door een hoogenergetisch foton dat een "hete" drager met een grote kinetische energie genereert. Deze energie verdwijnt vervolgens bij een botsing met een valentieband-elektron door het naar de geleidingsband te exciteren. Als gevolg hiervan wordt een nieuw elektron-gatpaar toegevoegd aan het oorspronkelijke paar dat door het geabsorbeerde foton is gecreëerd.

Vanwege concurrerende energieverliezen als gevolg van interacties met roostertrillingen (meestal fononen genoemd), is dragervermenigvuldiging inefficiënt in bulkgoederen. Maar zoals onderzoekers van Los Alamos in 2004 voor het eerst aantoonden, werd dit effect versterkt in chemisch gesynthetiseerde colloïdale kwantumdots. De zeer kleine omvang van colloïdale kwantumdots verhoogt de frequentie van botsingen tussen elektronen en elektronen en vergemakkelijkt daardoor de vermenigvuldiging van de drager.

Zelfs in de kwantumdots is de efficiëntie van dragervermenigvuldiging echter niet voldoende hoog om een ​​merkbaar effect te hebben op de prestaties van praktische fotoconversieschema's. Net als bij bulkkristallen is de voornaamste beperking het energieverlies als gevolg van de snelle emissie van fononen, wat leidt tot "niet-productieve" verwarming van een kristalrooster.

Spin-exchange-interacties om de vermenigvuldiging van vervoerders te stimuleren

Mangaandoteringsmiddelen helpen de problemen van snelle fononemissie aan te pakken. Voortbouwend op eerder onderzoek dat de tijdschalen van subpicoseconden van spin-uitwisselingsinteracties aantoonde (die sneller zijn dan fononemissie) realiseerden de onderzoekers zich dat het gebruik van deze interacties de efficiëntie van dragervermenigvuldiging zou vergroten.

"Om spin-exchange dragervermenigvuldiging tot stand te brengen, heb je goed ontworpen kwantumdots nodig", zegt Clement Livache, postdoctoraal onderzoeker en spectroscopie-expert bij het nanotechnologieteam. "De bandafstand van deze stippen moet minder zijn dan de helft van de energie van de mangaan-spin-flip-overgang en bovendien moet de spinstructuur van de kwantumstippen overeenkomen met die van het aangeslagen mangaanion."

"Aan de energieomstandigheden kan worden voldaan met met mangaan gedoteerde kwantumdots die een lood-selenidekern en cadmium-selenide-omhulsel bevatten", zegt Hin Jo, hoofdchemicus van het project. "In deze structuren vindt dragervermenigvuldiging plaats via twee spin-uitwisselingsstappen. Eerst wordt de energie van het elektron-gatpaar, gegenereerd door een geabsorbeerd foton in de cadmium-selenideschil, overgedragen aan het mangaanion. Vervolgens wordt het mangaanion overgedragen. ondergaat spin-flip-relaxatie terug naar de niet-aangeslagen toestand door twee excitonen te creëren in de lood-selenidekern."

Vermenigvuldiging van dragers door spin-uitwisseling kan vooral nuttig zijn bij reacties met meerdere elektronen/gaten die meerdere reductie- en oxidatiegebeurtenissen vereisen. Een van de knelpunten in dit geval is de wachttijd tussen opeenvolgende reductie- en oxidatiestappen. Dragervermenigvuldiging elimineert dit knelpunt door paren ladingsdragers (twee elektronen en twee gaten) te produceren die co-gelokaliseerd zijn in temporele en ruimtelijke domeinen.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials .

Meer informatie: Ho Jin et al., Vermenigvuldiging van spin-uitwisselingsdragers in met mangaan gedoteerde colloïdale kwantumdots, Nature Materials (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01598-x

Geleverd door Los Alamos Nationaal Laboratorium




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Zijdehaai maakt recordbrekende migratie in de internationale wateren van de tropische oostelijke Stille Oceaan
  2. Wat is zelfrespect?
  3. Wat is Supplex Nylon?
  4. Biologen volgen DNA-parasieten in de jacht op ziektebehandelingen
  5. Nachtsnacks van vleermuizen onthullen aanwijzingen voor het beheer van bedreigde diersoorten
  6. Hoe Spaced Repetition examen tijd een fluitje van een cent kan maken
  7. Voorheen onbekende dinosaurussoort geïdentificeerd in het zuidwesten van Duitsland
  8. Wat is Feedback-inhibitie en waarom is het belangrijk bij het reguleren van enzymactiviteit?
  9. Wat is er nieuw onder de zon? Onderzoekers bieden een alternatieve kijk op hoe nieuwe structuren evolueren

Wetenschap