Quantum dots vormen besteld materiaal

Kwantumstippen zijn clusters van zo’n 1000 atomen die als één groot ‘superatoom’ fungeren. Het is mogelijk om de elektronische eigenschappen van deze stippen nauwkeurig te ontwerpen door hun grootte te veranderen. Om functionele apparaten te maken, moet echter een groot aantal punten worden gecombineerd tot een nieuw materiaal. Tijdens dit proces gaan vaak de eigenschappen van de stippen verloren.

Nu is een team onder leiding van RUG-hoogleraar Fotofysica en Opto-elektronica, Maria Antonietta Loi, erin geslaagd door zelforganisatie een zeer geleidend opto-elektronisch metamateriaal te maken. Het metamateriaal wordt beschreven in het tijdschrift Geavanceerde materialen.

Quantum dots van PbSe (loodselenide) of PbS (loodsulfide) kunnen kortegolf-infraroodlicht omzetten in een elektrische stroom. Dit is een handige eigenschap voor het maken van detectoren, of een schakelaar voor telecommunicatie.

“Echter, een enkele stip maakt geen apparaat. En wanneer stippen worden gecombineerd, verliest het samenstel vaak de unieke optische eigenschappen van individuele stippen, of, als ze deze behouden, wordt hun capaciteit om ladingsdragers te transporteren erg slecht”, legt uit Loï. “Dit komt omdat het moeilijk is om van de puntjes een geordend materiaal te maken.”

Bestelde laag

In samenwerking met collega’s van het Zernike Institute for Advanced Materials van de Faculty of Science and Engineering, Rijksuniversiteit Groningen, experimenteerde Loi met een methode die de productie van een metamateriaal mogelijk maakt uit een colloïdale oplossing van quantum dots. Deze stippen, elk ongeveer vijf tot zes nanometer groot, vertonen een zeer hoge geleidbaarheid wanneer ze in een geordende array worden geassembleerd, terwijl ze hun optische eigenschappen behouden.

“We wisten uit de literatuur dat stippen zichzelf kunnen organiseren tot een tweedimensionale, geordende laag. We wilden dit uitbreiden naar een 3D-materiaal”, zegt Loi.

Om dit te bereiken, vulden ze kleine containers met een vloeistof die als “matras” voor de colloïdale kwantumstippen fungeerde. “Door een kleine hoeveelheid op het oppervlak van de vloeistof te injecteren, creëerden we een 2D-materiaal. Toen bleek het toevoegen van een groter volume kwantumdots een geordend 3D-materiaal te produceren.”

Superrooster

De stippen zijn niet ondergedompeld in de vloeistof, maar oriënteren zichzelf op het oppervlak om een ​​lage energietoestand te bereiken.

“De stippen hebben een afgeknotte kubusvorm en wanneer ze bij elkaar worden gebracht, vormen ze een geordende structuur in drie dimensies; een superrooster, waar de stippen werken als atomen in een kristal”, legt Loi uit. Dit superrooster dat is samengesteld uit de superatomen van de kwantumdot, vertoont de hoogste elektronenmobiliteit die is gerapporteerd voor kwantumdot-assemblages.

Detectoren

Er was speciale apparatuur nodig om vast te stellen hoe het nieuwe metamateriaal eruitziet. Het team gebruikte een elektronenmicroscoop met atomaire resolutie om de details van het materiaal te laten zien. Ze ‘beeldden’ ook de grootschalige structuur van het materiaal af met behulp van een techniek die Grazing-incidence small-angle X-ray scattering wordt genoemd.

“Beide technieken zijn beschikbaar op het Zernike Instituut, dankzij respectievelijk mijn collega’s Bart Kooi en Giuseppe Portale, wat een grote hulp was”, zegt Loi.

Metingen van de elektronische eigenschappen van het materiaal laten zien dat het sterk lijkt op dat van een bulkhalfgeleider, maar dan met de optische eigenschappen van de stippen. Het experiment maakt dus de weg vrij om nieuwe metamaterialen te maken op basis van kwantumstippen. De gevoeligheid van de punten die in het huidige onderzoek zijn gebruikt voor infrarood licht, zou kunnen worden gebruikt om optische schakelaars voor telecommunicatieapparatuur te maken. “En ze kunnen ook worden gebruikt in infrarooddetectoren voor nachtzicht en autonoom rijden.”

Loi is zeer te spreken over de resultaten van de experimenten: “Al sinds de jaren tachtig dromen mensen hiervan. Zo lang wordt er al geprobeerd om quantum dots te assembleren tot functionele materialen. De beheersing van de structuur en de eigenschappen die we hebben bereikt overtrof onze stoutste verwachtingen.”

Loi werkt nu aan het begrijpen en verbeteren van de technologie om uitgebreide superroosters van kwantumdots te bouwen, maar is ook van plan dit met andere bouwstenen te doen. “Onze volgende stap is om de techniek te verbeteren om de materialen perfecter te maken en er fotodetectoren mee te fabriceren.”