Gebouwd voor schittering: zintl-fase kwantumstippen verlichten nieuwe kansen voor opto-elektronica

Slechts een jaar nadat NREL Materials Science-onderzoekers Matthew Hautzinger en Sage Bauers bijeenkwamen om aantekeningen uit te wisselen over onderbelichte materialen in nanotechnologie, trekt hun synthese van veelbelovende zintl-fase kwantumstippen de aandacht op met zijn heldere fotoluminescente gloed, chemische stabiliteit en aarde-abundante ingediënten.

“Onlangs hebben wetenschappers materiaalverbindingen opnieuw beoordeeld die 40-50 jaar geleden zijn ontwikkeld, maar grotendeels zijn vergeten om nieuwe anorganische materiële kandidaten te vinden die nuttig kunnen zijn voor moderne opto -elektronica,” zei Hautzinger. “Intermetallische verbindingen bekend als zintl-fasematerialen, specifiek BACD₂P₂onze aandacht getrokken vanwege een optimale bandgap, lange carrier levensduur en opmerkelijke defecttolerantie. “

Erkenning dat de huidige methoden om Zintl-fasematerialen voor opto-elektronica te bereiden onpraktisch zijn, deze NREL-wetenschappers werden geïnspireerd om de eerste synthese van de eerste in zijn soort na te streven.₂P₂ Colloïdale kwantumstippen en demonstreer hoe deze verbinding zou kunnen integreren met real-world toepassingen. Hun resultaten zijn gepubliceerd in ACS nano.

Kwantumstippen zijn de bouwstenen voor veel halfgeleiders van de volgende generatie die zowel licht absorberen als een elektrische lading dragen. Deze kleine kristallen stoten een grote gloed uit die de volgende golf van vorderingen in opto-elektronica zou kunnen verlichten door licht-emitterende diode-verlichting en displays, optische vezels voor telecommunicatie, zonnepanelen, bio-imaging-apparaten en optische sensoren te verbeteren.

De uniek kleine structuur van kwantumstippen – slechts enkele nanometer – kan BACD toestaan₂P₂ en aangrenzende samenstellingen die moeten worden afgestemd op een breed scala aan toepassingen als gevolg van grootteminale optische en elektronische eigenschappen op basis van kwantumopsluitingseffecten geassocieerd met kwantumstippen.

“Stabiliseren Bacd₂P₂ Aangezien een kwantumstip helpt bij het verbeteren van de functionaliteit en cruciale vragen beantwoordt over de intrinsieke prestaties van deze materialen, “Bauers toegevoegd.” In slechts de eerste synthese, de fotoluminescentie van BACD₂P₂ Gloedend indrukwekkend helder, ondanks een relatief niet -geoptimaliseerde groei en geen specifieke passiverende behandelingen, wat een veelbelovende toekomst voor dit materiaal aangeeft. “

Op kleinere schaal stabiliteit zoeken

De sleutel tot BACD₂P₂ Synthese begon met de defecttolerantie van de verbinding, zoals voorspeld door theoretische berekeningen en bevestigd door voorlopige experimentele resultaten op poedermonsters bij NREL.

“In klassieke halfgeleidersystemen gaan we tot het uiterste, zoals oppervlakte -passivering, om materialen zuiver te houden,” legde Hautzinger uit. “Elke kleine onzuiverheid kan schadelijk zijn voor de opto -elektronische prestaties. Omdat BACD₂P₂ heeft intrinsieke eigenschappen die toleranter blijken te zijn voor defecten, we hebben de hypothese dat de deeltjes gemakkelijker te manipuleren zouden zijn in kwantumstippen. “

Die hypothese was correct. Om de BACD te creëren₂P₂ Kwantumstippen, het team gebruikte een proces waarbij een fosforvoorloper snel wordt geïnjecteerd in een verwarmd ligand-gesolubiliseerd mengsel dat barium en cadmium bevat. Door de temperatuur tijdens de groei aan te passen, is het mogelijk om de grootte van de nanodeeltjes te regelen voor specifieke lichtabsorptie en kleuremissies.

Om de BACD structureel te karakteriseren₂P₂ Kwantumstippen en bevestigen dat ze overeenkomen met de kristalstructuur en samenstelling van de grotere, solide versie van het materiaal, het team gebruikte materialen karakterisatietechnieken zoals geselecteerde gebiedselektronendiffractie, röntgendiffractie, Raman-spectroscopie en röntgenfluorescentie.

Visueel opvallend, precies afgestemd

De veerkracht aangetoond door BACD₂P₂ bood nog een onverwacht voordeel wanneer de resulterende colloïdale kwantumstippen een briljante gloed uitdraaid onder een zwart licht zonder de complexe chemische behandelingen die meestal nodig zijn om fotoluminescentie te optimaliseren. De berekende fotoluminescentie kwantumopbrengst – een maat voor hoe efficiënt een materiaal licht uitzendt na energieabsorptie – van 21% voor de BACD₂P₂ Oplossing, is een eerste resultaat goed op weg naar behandelde materialen in de industrie.

Kortom, de BACD₂P₂ Colloïdale kwantumdichtoplossing bereikte meteen indrukwekkende fotoluminescente prestaties, waardoor een sprong voorwaarts in zowel eenvoud als efficiëntie werd gemarkeerd. De volgende uitdaging was echter om te laten zien hoe het materiaal zou kunnen integreren met echte toepassingen.

Om dit te onderzoeken, paste het team de BACD toe₂P₂ Oplossing voor spin-coat dunne films vergelijkbaar met die welke worden gebruikt in opto-elektronische apparaten. Ze gebruikten scanning-elektronenmicroscopie en tijdopgeloste microgolfgeleidbaarheid om deze films te karakteriseren, het vinden van een glad, pinhole-vrij oppervlak. Door deze films te demonstreren, kunnen ze dit werk uitbreiden en BACD opnemen₂P₂ in opto -elektronische platforms.

“Bij het creëren van deze kwantumstippen hebben we een raamwerk gemaakt om het syntheseproces te vereenvoudigen zonder de aftelling of controle van de materiaaleigenschappen op te offeren,” zei Bauers. “Films gemaakt met BACD₂P₂ Kwantumstippen kunnen eenvoudiger en goedkoper zijn om te produceren dan bestaande technologieën, terwijl ze nog steeds uitstekende, goed presterende fotoluminescentie bieden. “

Een betere toekomst voor opto -elektronica

Bacd₂P₂ Kwantumstippen gloeien niet alleen helder; Ze zijn ook gebaseerd op overvloedige samenstellende materialen.

“In tegenstelling tot concurrerende technologieën, die afhankelijk zijn van kritische mineralen, de ingrediënten die worden gebruikt bij de synthese van de BACD₂P₂ Kwantumstippen zijn zowel de aarde-overvloedig als al in eigen land geproduceerd, “zei Hautzinger.” Deze benadering heeft het potentieel om de beperkingen van de supply chain te verlichten door mineralen te gebruiken die hier in de Verenigde Staten op grote schaal beschikbaar zijn. “

Bovendien experimenteerde het team met het gedeeltelijk uitwisseling van het cadmium voor zink binnen het syntheseproces om de toxiciteit van het materiaal te verminderen met behoud van de indrukwekkende fotoluminescentie -eigenschappen.

“Dit is allemaal gloednieuw,” zei Bauers. “We zijn verheugd om deze materialen te blijven porren en te porren om te zien hoe subtiele veranderingen in hun chemie extra nuttige eigenschappen en opkomende fysica kunnen ontdekken.”

Wat de toekomst ook in petto heeft voor BACD₂P₂dit fundamentele gebruik-geïnspireerde onderzoek opent de deur naar een nieuwe klasse van kwantumstippenmaterialen op basis van Zintl-fasen, waardoor de weg wordt verlicht naar nieuwe mogelijkheden voor opto-elektronica.