Nieuwe studie onthult spin in de vermenigvuldiging van kwantumdots-dragers

Een nieuwe benadering voor het ontwikkelen van halfgeleidermaterialen op kleine schaal zou toepassingen kunnen stimuleren die afhankelijk zijn van het omzetten van licht in energie. Een door Los Alamos geleid onderzoeksteam integreerde magnetische doteerstoffen in speciaal ontworpen colloïdale kwantumdots – halfgeleiderkristallen op nanoschaal – en was in staat om effecten te bereiken die zonneceltechnologie, fotodetectoren en toepassingen kunnen aandrijven die afhankelijk zijn van licht om chemische reacties aan te drijven.

“In kwantumdots bestaande uit een lood-selenide kern en een cadmium-selenide schaal, werken mangaanionen als kleine magneten waarvan de magnetische spins sterk interageren met zowel de kern als de schaal van de kwantumdot”, zegt Victor Klimov, leider van de Los Alamos. nanotechnologieteam en de hoofdonderzoeker van het project. “In de loop van deze interacties kan energie worden overgedragen van en naar het mangaanion door zijn spin om te draaien – een proces dat gewoonlijk spinuitwisseling wordt genoemd.”

Bij spin-uitwisseling dragervermenigvuldiging genereert een enkel geabsorbeerd foton niet één maar twee elektron-gatparen, ook wel excitonen genoemd, die optreden als gevolg 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 dragervermenigvuldigingsopbrengst in vergelijking met vergelijkbaar gestructureerde niet-gedoteerde kwantumdots. Belangrijk is dat de verbetering vooral groot is in het bereik van fotonenergieën binnen het zonnespectrum, wat leidt tot de mogelijke toepassingen van fotoconversietechnologie.

De voordelen van dragervermenigvuldiging

Normaal genereert een foton dat wordt geabsorbeerd door een halfgeleider een elektron in de geleidingsband en een leegte 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 worden onttrokken als een fotostroom. De door foto’s gegenereerde elektronen en gaten kunnen ook nuttig zijn in de chemie, waar ze zogenaamde redoxreacties kunnen vergemakkelijken waarbij elektronen van de ene entiteit naar de andere worden overgedragen.

Alle soorten fotoconversieschema’s zouden baat hebben bij dragervermenigvuldiging, een proces dat wordt veroorzaakt door een hoogenergetisch foton dat een “hete” drager met een grote kinetische energie genereert. Deze energie verdwijnt vervolgens in een botsing met een valentiebandelektron door het te exciteren naar de geleidingsband. Als gevolg hiervan wordt een nieuw elektron-gat-paar 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 stortgoederen. Echter, 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 elektron-elektronbotsingen en vergemakkelijkt daardoor vermenigvuldiging van draaggolven.

Maar zelfs in de kwantumdots is de efficiëntie van draaggolfvermenigvuldiging niet hoog genoeg om een ​​merkbaar effect te hebben op de prestaties van praktische fotoconversieschema’s. Net als bij bulkkristallen, is de primaire beperking energieverliezen als gevolg van snelle emissie van fononen, wat leidt tot “niet-productieve” verwarming van een kristalrooster.

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

Doteerstoffen van mangaan helpen de problemen van snelle fononemissie aan te pakken. Voortbouwend op eerder onderzoek dat de sub-picoseconde tijdschalen van spin-uitwisselingsinteracties aantoonde – die sneller zijn dan fononemissie – realiseerden de onderzoekers zich dat het gebruik van deze interacties de efficiëntie van dragervermenigvuldiging zou verhogen.

“Om spin-exchange carrier-vermenigvuldiging mogelijk te maken, heb je goed ontworpen kwantumdots nodig”, zegt Clement Livache, postdoctoraal onderzoeker en spectroscopie-expert in het nanotechnologieteam. “De bandgap van deze stippen moet minder zijn dan de helft van de energie van de spin-flip-overgang van mangaan en verder moet de spinstructuur van de kwantumstippen overeenkomen met die van het aangeslagen mangaanion.”

“Aan de energiecondities kan worden voldaan met met mangaan gedoteerde kwantumdots die een lood-selenide kern en cadmium-selenide schaal 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-gat-paar, gegenereerd door een geabsorbeerd foton in de cadmium-selenide-schil, overgebracht naar het mangaanion. Vervolgens wordt het mangaanion ondergaat spin-flip-relaxatie terug naar de niet-geëxciteerde toestand door twee excitonen in de lood-selenide-kern te creëren.

Spin-exchange dragervermenigvuldiging kan vooral nuttig zijn bij multi-elektron/gat-reacties die meerdere reductie- en oxidatiegebeurtenissen vereisen. Een van de knelpunten in dit geval is een wachttijd tussen opeenvolgende reductie- en oxidatiestappen. Carrier-vermenigvuldiging elimineert dit knelpunt door paren van ladingsdragers (twee elektronen en twee gaten) te produceren die samen in temporele en ruimtelijke domeinen zijn gelokaliseerd.

Het onderzoek wordt gepubliceerd in het tijdschrift Natuur materialen.