De code kraken: onderzoekers ontsluiten een ‘nieuwe synthetische grens’ voor kwantumdots

Het type halfgeleidende nanokristallen dat bekend staat als kwantumdots breidt zowel de voorhoede van de pure wetenschap uit als hard aan het werk in praktische toepassingen, waaronder lasers, kwantum QLED-televisies en -displays, zonnecellen, medische apparaten en andere elektronica.

Een nieuwe techniek om deze microscopisch kleine kristallen te laten groeien, deze week gepubliceerd in Wetenschapheeft niet alleen een nieuwe, efficiëntere manier gevonden om een ​​bruikbaar type kwantumdot te bouwen, maar heeft ook een hele groep nieuwe chemische materialen geopend voor toekomstige verkenningen door onderzoekers.

“Ik ben opgewonden om te zien hoe onderzoekers over de hele wereld deze techniek kunnen gebruiken om voorheen onvoorstelbare nanokristallen te bereiden”, zegt eerste auteur Justin Ondry, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in het Talapin Lab van UChicago.

Het team – bestaande uit onderzoekers van de Universiteit van Chicago, University of California Berkeley, Northwestern University, de University of Colorado Boulder en het Argonne National Laboratory – bereikte deze opmerkelijke resultaten door de organische oplosmiddelen die doorgaans worden gebruikt om nanokristallen te maken, letterlijk te vervangen door gesmolten zout. oververhit natriumchloride van het type dat op gebakken aardappelen wordt gestrooid.

“Natriumchloride is in je hoofd geen vloeistof, maar neem aan dat je het tot zo’n gekke temperatuur verwarmt dat het een vloeistof wordt. Het ziet eruit als vloeistof. Het heeft dezelfde viscositeit als water. Het is kleurloos. Het enige probleem was dat niemand er ooit aan heeft gedacht deze vloeistoffen als media voor colloïdale synthese”, zegt prof. Dmitri Talapin van de UChicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) en de afdeling Scheikunde.

Waarom zout?

Kwantumdots behoren tot de bekendere nanokristallen, niet alleen vanwege hun brede commerciële toepassingen, maar ook vanwege de recente Nobelprijs voor scheikunde 2023 gegeven aan het team dat ze heeft ontdekt.

“Als er een materiaal uit de wereld van nano is dat een impact heeft gehad op de samenleving in termen van toepassingen, dan is het de quantum dot”, zegt UC Berkeley prof. Eran Rabani, co-auteur van het artikel.

Veel van het eerdere onderzoek naar kwantumstippen, waaronder het werk van Nobel, betrof echter punten die waren gegroeid met behulp van combinaties van elementen uit de tweede en zesde groep van het periodiek systeem, zei Rabani. Deze worden “II-VI” (twee-zes) materialen genoemd.

Meer veelbelovende materialen voor kwantumdots zijn elders in het periodiek systeem te vinden.

Materialen uit de derde en vijfde groep van het periodiek systeem (III-V-materialen) worden gebruikt in de meest efficiënte zonnecellen, de helderste LED’s, de krachtigste halfgeleiderlasers en de snelste elektronische apparaten. Ze zouden potentieel grote kwantumdots kunnen maken, maar op enkele uitzonderingen na was het onmogelijk om ze te gebruiken om nanokristallen in oplossing te laten groeien. De temperaturen die nodig waren om deze materialen te maken waren te hoog voor enig bekend organisch oplosmiddel.

Gesmolten zout kan de hitte aan, waardoor deze voorheen ontoegankelijke materialen toegankelijk worden.

“Door deze duidelijke vooruitgang in de synthese van gesmolten zout heeft de groep van prof. Talapin voor het eerst veel materialen ontwikkeld waarvoor voorheen colloïdale synthese eenvoudigweg niet beschikbaar was”, zegt co-auteur Richard D. Schaller, die een gezamenlijke afspraak heeft met Argonne National Laboratory en Noordwestelijke Universiteit. “Zowel fundamentele als toegepaste vooruitgang kan nu worden geboekt met veel van deze nieuw beschikbare materialen en tegelijkertijd is er nu een geheel nieuwe synthetische grens beschikbaar voor de gemeenschap.”

Het kwantumtijdperk

Een van de redenen waarom onderzoekers bij het synthetiseren van nanokristallen gesmolten zout over het hoofd zagen, was vanwege de sterke polariteit ervan, zei UChicago-student Zirui Zhou, tweede auteur van het nieuwe artikel.

De positief geladen ionen en de negatief geladen ionen van zout trekken elkaar sterk aan. Kleine dingen zoals nanokristallen hebben kleine oppervlakteladingen, dus gingen onderzoekers ervan uit dat de lading te zwak zou zijn om terug te duwen als de zoutionen naar binnen trekken. Eventuele groeiende kristallen zouden worden verpletterd voordat ze een stabiel materiaal konden vormen.

Dat dachten eerdere onderzoekers tenminste.

“Het is een verrassende observatie”, zei Zhou. “Dit is zeer in tegenspraak met wat wetenschappers traditioneel over deze systemen denken.”

De nieuwe techniek kan nieuwe bouwstenen betekenen voor betere, snellere kwantum- en klassieke computers, maar voor velen in het onderzoeksteam is het werkelijk opwindende deel het openen van nieuwe materialen voor onderzoek.

“Veel tijdperken in de geschiedenis van de mensheid worden bepaald door de materialen die de mensheid tot hun beschikking had – denk aan de ‘Bronstijd’ of ‘IJzertijd’,” zei Ondry. “In dit werk hebben we de mogelijkheid ontsloten om bijna een dozijn nieuwe nanokristalcomposities te synthetiseren die toekomstige technologieën mogelijk zullen maken.”