Onderzoekers van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering (IMRE) hebben ontdekt waarom sommige kwantumdots en nanostaafjes gemaakt van pure halfgeleiders helderder licht uitstralen dan kwantumdots en nanostaafjes die onzuiverheden bevatten.

Quantum dots en nanostaafjes zijn kleine deeltjes halfgeleidermateriaal die bij blootstelling aan elektrische stroom licht van specifieke kleuren kunnen uitstralen. Ze worden gebruikt in een verscheidenheid aan elektronische apparaten, zoals light-emitting diodes (LED's) en lasers.

Onderzoekers zijn altijd op zoek naar manieren om de efficiëntie van kwantumdots en nanostaafjes te verbeteren, omdat ze hierdoor in een breder scala aan toepassingen kunnen worden gebruikt. De ontdekking van het IMRE-team zou een manier kunnen zijn om precies dat te doen.

De onderzoekers ontdekten dat de sleutel tot heldere lichtemissie de aanwezigheid van ‘oppervlaktetoestanden’ op de kwantumdots en nanostaafjes is. Oppervlaktetoestanden zijn elektronentoestanden die zich aan het oppervlak van een halfgeleidermateriaal bevinden. Ze ontstaan ​​wanneer atomen ontbreken op het oppervlak van het materiaal, waardoor er bungelende bindingen achterblijven.

Wanneer een elektrische stroom wordt toegepast op een kwantumdot of nanostaafje, worden de elektronen in de oppervlaktetoestanden opgewonden en zenden ze licht uit. Hoe meer oppervlaktetoestanden er zijn, hoe meer licht de kwantumdot of nanostaafje zal uitzenden.

De onderzoekers ontdekten dat kwantumdots en nanostaafjes gemaakt van pure halfgeleiders meer oppervlaktetoestanden hebben dan kwantumdots en nanostaafjes die onzuiverheden bevatten. Dit komt omdat onzuiverheden het aantal bungelende bindingen op het oppervlak van het materiaal kunnen verminderen.

De bevindingen van de onderzoekers zouden kunnen leiden tot de ontwikkeling van efficiëntere kwantumdots en nanostaafjes voor gebruik in een verscheidenheid aan elektronische apparaten.

Samenvatting

Halfgeleider nanokristallen (quantum dots, QD's) zijn veelbelovende kandidaten voor toekomstige lichtuitstralende apparaten vanwege hun op grootte afstembare emissie en smalle emissielijnbreedte. Veel van de synthesemethoden voor het produceren van QD's introduceren echter ook een aanzienlijk niveau aan onzuiverheden, die vaak de optische eigenschappen van de QD in gevaar brengen. Met behulp van theoretische berekeningen en experimentele metingen laten we zien dat deze onzuiverheden de QD-emissie doven door alternatieve niet-stralingsvervalkanalen te bieden voor de foto-geëxciteerde dragers. Bovendien onthullen we de cruciale rol van oppervlaktetoestanden (bungelende bindingen) bij het mogelijk maken van heldere emissie. We laten zien dat een hogere dichtheid van oppervlaktetoestanden het stralingsverval vergroot en daarmee de kwantumopbrengst van de emissie vergroot. Voor hoogwaardige CdSe QD's afgedekt met trioctylfosfineoxide (TOPO), identificeren we een optimale QD-grootte (∼4,5 nm) die het aantal oppervlaktetoestanden maximaliseert. Dit komt overeen met de hoogste PL-kwantumopbrengst, namelijk 58%. Onze bevindingen bieden richtlijnen voor de zuivering van QD's die de toepassingen van op QD gebaseerde opto-elektronische apparaten aanzienlijk zullen bevorderen.