Ansammlungen von Quantenpunkten neigen dazu, stark ungeordnet zu sein, aber wenn die Facetten dieser winzigen Halbleiterstrukturen wie Soldaten auf einer Parade aufgereiht werden, passiert etwas Seltsames: Die Punkte werden sehr gut darin, Elektrizität zu leiten. Dies ist das Ergebnis von Forschern am RIKEN-Zentrum für Emergent Matter Science in Japan, die sagen, dass diese geordneten, quasi-zweidimensionalen „Übergitter“ aus Quantenpunkten die Entwicklung schnellerer und effizienterer Elektronik ermöglichen könnten.
Quantenpunkte sind Halbleiterstrukturen, die Elektronen in allen drei Raumdimensionen einschließen. Diese Beschränkung bedeutet, dass sich Quantenpunkte in gewisser Weise wie einzelne Quantenteilchen verhalten, obwohl sie Tausende von Atomen enthalten und einen Durchmesser von bis zu 50 nm haben. Dank ihrer partikelähnlichen Eigenschaften haben Quantenpunkte in vielen optoelektronischen Anwendungen Verwendung gefunden, darunter Solarzellen, biologische Bildgebungssysteme und elektronische Displays.
Allerdings gibt es einen Haken. Die allgemeine Unordnung von Quantenpunktanordnungen führt dazu, dass Ladungsträger nicht effizient durch sie fließen. Dadurch ist ihre elektrische Leitfähigkeit schlecht, und Standardtechniken zur Einführung von Ordnung haben nicht viel geholfen. „Obwohl die Reihenfolge der Baugruppen verbessert werden kann, haben wir festgestellt, dass dies nicht ausreicht“, sagt er Satria Zulkarnaen Bisri, der die RIKEN-Studie leitete und jetzt außerordentlicher Professor an der ist Universität für Landwirtschaft und Technologie Tokio.
Ein neuer Blick auf Quantenpunkte
Bisri erklärt, dass wir Quantenpunkte aus einer anderen Perspektive betrachten müssen, um die Leitfähigkeit von Quantenpunkten zu verbessern – nicht als kugelförmige Objekte, wie es derzeit der Fall ist, sondern als Materiebrocken mit einer Reihe einzigartiger kristallographischer Eigenschaften, die von ihrer zusammengesetzten Kristallstruktur geerbt wurden . „Auch die einheitliche Ausrichtung der Quantenpunkte ist wichtig“, sagt er. „Dieses Verständnis ermöglichte es uns, eine Möglichkeit zu formulieren, die Anordnung der Quantenpunkte zu steuern, indem wir die Wechselwirkung zwischen Facetten benachbarter Quantenpunkte abstimmen.“
Die Forscher stellten ihre Quantenpunktanordnungen oder Übergitter her, indem sie einen sogenannten Langmuir-Film erzeugten. Bisri beschreibt diesen Vorgang als ein bisschen so, als würde man Öl auf die Wasseroberfläche träufeln und es zu einer sehr dünnen Schicht verteilen lassen. In ihrem Experiment sind die Quantenpunkte das „Öl“, während das „Wasser“ ein Lösungsmittel ist, das den Punkten hilft, sich über bestimmte Facetten selektiv miteinander zu verbinden und eine geordnete Monoschicht oder ein Übergitter zu bilden.
„Die guten Eigenschaften dieses Monoschicht-Übergitters bestehen darin, dass die großräumige Ordnung und die kohärente Ausrichtung der Quantenpunktbausteine energetische Störungen im gesamten Aufbau minimieren“, erklärt Bisri Physik-Welt. „Dies ermöglicht eine genauere Kontrolle über die elektronischen Eigenschaften der Punkte.“
Die RIKEN-Forscher fanden heraus, dass sie ihr System bis zu einer Million Mal leitfähiger machen konnten als Anordnungen aus Quantenpunkten, die nicht auf diese Weise epitaktisch verbunden waren. Bisri erklärt, dass dieser Anstieg der Leitfähigkeit mit einem Anstieg des Dotierungsniveaus der Ladungsträger im System verbunden ist. Bei dieser höheren Dotierung wird der Ladungstransport von einem Quantenpunkt zum anderen nicht mehr durch einen hüpfenden Transportprozess gesteuert (wie es in einem Isolator der Fall ist), sondern durch einen delokalisierten Transportmechanismus durch elektronische Minibänder – „genau wie das, was in einem metallischen Material passieren würde.“ „, sagt Bisri.
Die Elektron-Loch-Symmetrie in Quantenpunkten ist vielversprechend für das Quantencomputing
Schnellere und effizientere elektronische Geräte
Hohe Leitfähigkeit und metallisches Verhalten in halbleitenden kolloidalen Quantenpunkten könnten erhebliche Vorteile für elektronische Geräte bringen und die Entwicklung schnellerer und effizienterer Transistoren, Solarzellen, Thermoelektrik, Displays und Sensoren (einschließlich Fotodetektoren) ermöglichen, fügt Bisri hinzu. Die Materialien könnten auch zur Untersuchung grundlegender physikalischer Phänomene wie stark korrelierter und topologischer Zustände eingesetzt werden.
Die Forscher planen nun, weitere Quantenpunktverbindungen zu untersuchen. „Ein ähnliches oder sogar besseres metallisches Verhalten möchten wir neben der durch elektrische Felder induzierten Dotierung auch mit anderen Mitteln erreichen“, verrät Bisri.
Sie beschreiben ihre aktuelle Arbeit in Nature Communications veröffentlicht .
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/lined-up-quantum-dots-become-highly-conductive/