Forschern des RIKEN Center for Emergent Matter Science und Mitarbeitern ist es gelungen, ein „Übergitter“ aus Halbleiter-Quantenpunkten zu schaffen, das sich wie ein Metall verhalten kann und dieser beliebten Materialklasse möglicherweise aufregende neue Eigenschaften verleiht.
Halbleitende kolloidale Quantenpunkte haben aufgrund ihrer besonderen optischen Eigenschaften, die aus dem Quanteneinschlusseffekt resultieren, großes Forschungsinteresse geweckt. Sie werden in Solarzellen eingesetzt, wo sie die Effizienz der Energieumwandlung verbessern können, in der biologischen Bildgebung, wo sie als Fluoreszenzsonden, elektronische Displays und sogar im Quantencomputer eingesetzt werden können, wo ihre Fähigkeit, einzelne Elektronen einzufangen und zu manipulieren, ausgenutzt werden kann.
Es war jedoch eine große Herausforderung, Halbleiter-Quantenpunkte dazu zu bringen, Elektrizität effizient zu leiten, was ihre volle Nutzung verhinderte. Dies liegt vor allem an der fehlenden Orientierungsordnung in Baugruppen. Laut Satria Zulkarnaen Bisri, leitender Forscherin des Projekts, „würde die Herstellung aus Metall beispielsweise Quantenpunktdisplays ermöglichen, die heller sind und gleichzeitig weniger Energie verbrauchen als aktuelle Geräte.“
Jetzt hat die Gruppe eine Studie veröffentlicht Naturkommunikation Das könnte einen großen Beitrag zur Erreichung dieses Ziels leisten. Die von Bisri und Yoshihiro Iwasa von RIKEN CEMS geleitete Gruppe hat ein Übergitter aus halbleitenden kolloidalen Bleisulfid-Quantenpunkten geschaffen, das die elektrisch leitenden Eigenschaften eines Metalls aufweist.
Der Schlüssel dazu bestand darin, die einzelnen Quantenpunkte im Gitter ohne Liganden direkt, „epitaktisch“ aneinander zu binden und dies mit einer präzisen Ausrichtung ihrer Facetten.
Die Forscher testeten die Leitfähigkeit des von ihnen hergestellten Materials und als sie die Trägerdichte mithilfe eines elektrischen Doppelschichttransistors erhöhten, stellten sie fest, dass es ab einem bestimmten Punkt eine Million Mal leitfähiger war als das, was derzeit von Quantenpunktdisplays verfügbar ist . Wichtig ist, dass der Quanteneinschluss der einzelnen Quantenpunkte weiterhin erhalten bleibt, was bedeutet, dass sie trotz der hohen Leitfähigkeit nicht ihre Funktionalität verlieren.
„Halbleiter-Quantenpunkte waren aufgrund ihrer optischen Eigenschaften schon immer vielversprechend, ihre elektronische Mobilität war jedoch eine Herausforderung“, sagt Iwasa. „Unsere Forschung hat gezeigt, dass eine präzise Steuerung der Orientierung der Quantenpunkte in der Anordnung zu hoher elektronischer Mobilität und metallischem Verhalten führen kann. Dieser Durchbruch könnte neue Wege für die Verwendung von Halbleiter-Quantenpunkten in neuen Technologien eröffnen.“
Bisri sagt: „Wir planen, weitere Studien mit dieser Materialklasse durchzuführen und glauben, dass dies zu enormen Verbesserungen der Fähigkeiten von Quantenpunkt-Übergittern führen könnte. Zusätzlich zur Verbesserung aktueller Geräte könnte es zu neuen Anwendungen wie True führen.“ All-QD-Direktelektrolumineszenzgeräte, elektrisch angetriebene Laser, thermoelektrische Geräte sowie hochempfindliche Detektoren und Sensoren, die bisher außerhalb des Anwendungsbereichs von Quantenpunktmaterialien lagen.“
Mehr Informationen:
Ermöglichung metallischen Verhaltens im zweidimensionalen Übergitter kolloidaler Halbleiterquantenpunkte, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38216-y