Wissenschaftler des US Naval Research Laboratory (NRL) bestätigen in einem Artikel die Identifizierung einer neuen Klasse von Halbleiter-Nanokristallen mit hellen Grundzustands-Exzitonen, ein bedeutender Fortschritt auf dem Gebiet der Optoelektronik veröffentlicht im Journal der American Chemical Society (ACS) ACS Nano.
Die bahnbrechende theoretische Forschung könnte die Entwicklung hocheffizienter lichtemittierender Geräte und anderer Technologien revolutionieren.
Im Allgemeinen emittiert das Exziton mit der niedrigsten Energie in Nanokristallen schlecht, was ihm den Namen „dunkles“ Exziton einbringt. Da es die Lichtemission verlangsamt, begrenzt das dunkle Exziton die Leistung von nanokristallbasierten Geräten wie Lasern oder Leuchtdioden (LEDs). Wissenschaftler haben lange versucht, das dunkle Exziton zu überwinden.
„Wir wollten neue Materialien finden, bei denen die Exzitonenanordnung umgekehrt ist, sodass das Exziton mit der niedrigsten Energie hell ist“, sagte Dr. John Lyons von der Abteilung für Theorie der modernen Funktionsmaterialien. „Bei der Suche in Open-Source-Datenbanken nach Materialien anhand von Kriterien, die auf unseren theoretischen Modellen basieren, haben wir über 150 Ziele identifiziert. Wir haben diese Liste mit fortgeschrittenen Berechnungen nach dem Prinzip der ersten Prinzipien weiter eingegrenzt und sind schließlich auf 28 Kandidaten für Nanomaterialien mit hellen Exzitonen gestoßen.“
Eine genauere Modellierung dieser Materialien zeigt, dass mindestens vier davon helle Grundzustands-Exzitonen in Nanokristallen erzeugen können. „Diese Entdeckung, die in Zusammenarbeit mit Prof. David Norris von der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich und Peter Sercel, Ph.D., vom Center for Hybrid Organic-Inorganic Semiconductors for Energy (CHOISE) gemacht wurde, könnte den Weg für die Entwicklung ultraheller und hocheffizienter Leuchtgeräte, Laser und anderer Technologien ebnen“, sagte Lyons.
Alexander Efros, Ph.D., leitender Wissenschaftler der Abteilung Materialwissenschaften und Hauptautor des Artikels, erläuterte die Auswirkungen der Forschung.
„Bei unseren Forschungen haben wir mehrere Materialien mit hellen Exzitonen entdeckt, die Licht in einem breiten Spektrum von Infrarot bis Ultraviolett aussenden können“, sagte Efros. „Diese Vielseitigkeit macht sie für optoelektronische Anwendungen sehr nützlich. Die Fähigkeit, Nanokristalle mit hellen Exzitonenzuständen in diesem breiten Spektrum herzustellen, eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung besserer und effizienterer LEDs, Solarzellen und Fotodetektoren.“
Durch die Lösung des Problems der dunklen Exzitonen hoffen die Wissenschaftler des NRL, die große Nanomaterial-Gemeinschaft dazu zu bewegen, sich mit Nanostrukturen mit hellen Exzitonen zu befassen, einem Gebiet, das zu lange ins Stocken geraten ist. Heute werden drei dieser Materialien am NRL als Teil der Initiative „Bright Nanocrystal Emitters“ des Nanoscience Institute Program gezüchtet, mit dem Ziel, das Verhalten heller Exzitonen im Labor schlüssig nachzuweisen und für zukünftige Marinetechnologien zu nutzen.
„Unsere Ergebnisse zeigen, wie leistungsstark die Kombination von computergestütztem Hochdurchsatz-Screening, Theorien mit Stift und Papier und hochpräzisen Berechnungen der elektronischen Struktur ist“, sagte Dr. Michael Swift. „Keine Technik allein würde ausreichen, aber gemeinsam haben wir neue ultrahelle Nanokristalle entdeckt und die Kraft des hellen Exzitons in unerforschten Materialklassen freigesetzt.“
Die Abteilung Theorie moderner Funktionsmaterialien betreibt Grundlagen- und angewandte Forschung zu funktionalen, strukturellen, biologischen und elektronischen Materialsystemen. Die Abteilung ist Vorreiter bei neuen Methoden zur Simulation von Materialien und Systemen, einschließlich der Entwicklung neuartiger rechnergestützter und theoretischer Techniken, der Modifizierung bestehender Ansätze und der Anwendung etablierter Methoden auf neue Materialien und Bereiche. Ziel der Abteilung ist es, Theorie und Simulation zu nutzen, um Materialien von gegenwärtiger und zukünftiger Bedeutung für die Marine zu verstehen, zu verbessern und zu entwickeln.
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Michael W. Swift et al, Identifizierung von Halbleiter-Nanokristallen mit hellen Grundzustands-Exzitonen, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c02905