Wetenschappers identificeren nieuwe klasse halfgeleider nanokristallen

Wetenschappers van het Amerikaanse Naval Research Laboratory (NRL) bevestigen in een artikel de identificatie van een nieuwe klasse halfgeleider nanokristallen met heldere grondtoestand excitonen, een belangrijke vooruitgang op het gebied van opto-elektronica. gepubliceerd in het tijdschrift van de American Chemical Society (ACS) ACS Nano.

Het baanbrekende theoretische onderzoek zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de ontwikkeling van uiterst efficiënte lichtgevende apparaten en andere technologieën.

Over het algemeen is de exciton met de laagste energie in nanokristallen slecht emitterend, wat de naam “donkere” exciton oplevert. Omdat het de emissie van licht vertraagt, beperkt de donkere exciton de prestaties van op nanokristallen gebaseerde apparaten zoals lasers of lichtgevende diodes (LED’s). Wetenschappers hebben lang geprobeerd de donkere exciton te overwinnen.

“We gingen op zoek naar nieuwe materialen waarin de exciton-ordening is omgekeerd, zodat het exciton met de laagste energie helder is,” aldus John Lyons, Ph.D., van de Theory of Advanced Functional Materials Section. “Door open-source databases van materialen te doorzoeken met behulp van criteria die zijn ingegeven door onze theoretische modellering, hebben we meer dan 150 doelen geïdentificeerd. We hebben deze lijst verder ingeperkt met geavanceerde first-principles-berekeningen, wat resulteerde in 28 kandidaten voor nanomaterialen met heldere excitonen.”

Gedetailleerdere modellering van deze materialen geeft aan dat er minstens vier heldere grondtoestand-excitonen in nanokristallen kunnen opleveren. “Deze ontdekking, gedaan in samenwerking met Prof. David Norris van het Federal Institute of Technology (ETH) Zurich en Peter Sercel, Ph.D., van het Center for Hybrid Organic-Inorganic Semiconductors for Energy (CHOISE), zou de weg kunnen vrijmaken voor de ontwikkeling van ultraheldere en zeer efficiënte lichtgevende apparaten, lasers en andere technologieën,” aldus Lyons.

Alexander Efros, Ph.D., een senior wetenschapper bij de afdeling Materiaalkunde en hoofdauteur van het artikel, ging dieper in op de implicaties van het onderzoek.

“In ons onderzoek hebben we verschillende heldere excitonmaterialen geïdentificeerd die licht kunnen uitzenden over een breed spectrum, van infrarood tot ultraviolet,” zei Efros. “Deze veelzijdigheid maakt ze erg nuttig voor opto-elektronische toepassingen. De mogelijkheid om nanokristallen te ontwerpen met heldere excitonische toestanden over dit brede bereik opent nieuwe wegen voor het creëren van betere en efficiëntere LED’s, zonnecellen en fotodetectoren.”

Door het probleem van de donkere exciton op te lossen, hopen NRL-wetenschappers de grote nanomaterialengemeenschap te stimuleren om de heldere exciton-nanostructuren aan te vallen, een gebied dat al te lang stilstaat. Momenteel worden drie van deze materialen gekweekt bij NRL als onderdeel van het Bright Nanocrystal Emitters-initiatief van het Nanoscience Institute Program, dat erop gericht is om het gedrag van heldere excitonen in het lab definitief aan te tonen en te benutten voor toekomstige technologieën op zee.

“Onze bevindingen tonen de kracht aan van het combineren van high-throughput computationele screening, pen-en-papier theorie en zeer nauwkeurige berekeningen van elektronische structuren,” aldus Michael Swift, Ph.D. “Geen enkele techniek zou op zichzelf voldoende zijn, maar samen ontdekten we nieuwe ultraheldere nanokristallen en ontsloten we de kracht van het heldere exciton in onontgonnen klassen van materialen.”

De sectie Theory of Advanced Functional Materials voert fundamenteel en toegepast onderzoek uit naar functionele, structurele, biologische en elektronische materiaalsystemen. De sectie is een pionier op het gebied van nieuwe methoden voor het simuleren van materialen en systemen, waaronder de originele ontwikkeling van computationele en theoretische technieken, aanpassing van bestaande benaderingen en toepassing van gevestigde methodologieën op nieuwe materialen en gebieden. Het doel van de sectie is om theorie en simulatie te gebruiken om materialen van huidig ​​en toekomstig belang voor de marine te begrijpen, verbeteren en ontwikkelen.