Xlera8

A sorba rendezett kvantumpontok rendkívül vezetőképessé válnak – Fizika világa

Fénykép a kesztyűtartóban dolgozó kutatókról
A laborban: Minden kísérletet ellenőrzött atmoszférában (nitrogén kesztyűtartóban) végeztünk, mivel a kvantumpont szuperrácsok elektronikus tulajdonságai jelenleg nagyon érzékenyek az oxigénre és a nedvességre. (Jóvolt: SZ Bisri)

A kvantumpontok összeállítása általában rendkívül rendezetlen, de amikor ezeknek az apró félvezető szerkezeteknek az oldalai sorakoznak, mint a katonák a parádén, valami furcsa történik: a pontok nagyon jól vezetik az elektromosságot. Ezt állapították meg a kutatók RIKEN Központ az Emergent Matter Science Japánban, akik szerint ezek a rendezett, kvázi kétdimenziós kvantumpontok „szuperrácsai” gyorsabb és hatékonyabb elektronika fejlesztését tehetik lehetővé.

A kvantumpontok olyan félvezető szerkezetek, amelyek az elektronokat mindhárom térbeli dimenzióban korlátozzák. Ez a bezártság azt jelenti, hogy a kvantumpontok bizonyos szempontból egyedi kvantumrészecskékként viselkednek, még akkor is, ha több ezer atomot tartalmaznak, és átmérőjük akár 50 nm. Részecskeszerű tulajdonságaiknak köszönhetően a kvantumpontokat számos optoelektronikai alkalmazásban használják, beleértve a napelemeket, a biológiai képalkotó rendszereket és az elektronikus kijelzőket.

Van azonban egy gubanc. A kvantumpont-összeállítások általános rendezetlensége azt jelenti, hogy a töltéshordozók nem áramlanak át hatékonyan rajtuk. Emiatt gyenge az elektromos vezetőképességük, és a rend bevezetésének szokásos technikái nem sokat segítettek. „Bár az összeállítások sorrendje javítható, azt tapasztaltuk, hogy ez nem elég” – mondja Satria Zulkarnaen Bisri, aki a RIKEN tanulmányt vezette, és jelenleg egyetemi docens a Tokiói Mezőgazdasági és Technológiai Egyetem.

Új pillantás a kvantumpontokra

Bisri kifejti, hogy a kvantumpontok vezetőképességének javítása érdekében más szemszögből kell tekintenünk rájuk – nem gömb alakú objektumként, mint jelenleg, hanem anyagdarabokként, amelyek összetett kristályszerkezetükből örökölt egyedi krisztallográfiai tulajdonságokkal rendelkeznek. "A kvantumpontok tájolásának egységessége szintén fontos" - mondja. "Ennek megértése lehetővé tette számunkra, hogy kidolgozzunk egy módot a kvantumpontok összeállításának szabályozására a szomszédos kvantumpontok oldalai közötti kölcsönhatás hangolásával."

A kutatók kvantumpontszerelvényeiket vagy szuperrácsaikat úgy készítették el, hogy létrehoztak egy úgynevezett Langmuir-filmet. Bisri ezt a folyamatot úgy írja le, mintha olajat csöpögtetnének a víz felszínére, és hagynák szétterülni egy nagyon vékony rétegben. Kísérletükben az „olaj” a kvantumpontok, míg a „víz” egy oldószer, amely segíti a pontok szelektív összekapcsolódását, bizonyos oldalakon keresztül, hogy rendezett egyrétegű réteget, szuperrácsot alkossanak.

"Ennek az egyrétegű szuperrácsnak az a jó tulajdonsága, hogy a kvantumpont építőelemek nagy léptékű sorrendje és koherens orientációja minimalizálja az energetikai zavarokat az összeállítás során" - mondja Bisri. Fizika Világa. "Ez lehetővé teszi a pontok elektronikus tulajdonságainak pontosabb szabályozását."

Magasabb adalékolási szinteken a töltést az egyik kvantumpontból a másikba már nem szabályozza az ugráló transzport folyamat

A RIKEN kutatói azt találták, hogy rendszerüket akár milliószor vezetőképessé tudják tenni, mint a kvantumpontokból álló halmazok, amelyek nem ily módon kapcsolódnak epitaxiálisan. Bisri kifejti, hogy ez a vezetőképesség növekedés a rendszer töltéshordozóinak adalékolási szintjének növekedésével jár. Ennél a magasabb adalékolásnál a töltések egyik kvantumpontból a másikba történő szállítását már nem egy ugráló transzportfolyamat irányítja (ahogyan ez egy szigetelőben történik), hanem egy delokalizált transzportmechanizmus elektronikus minisávokon keresztül – „úgy, mint ami egy fémes anyagnál történne” – mondja Bisri.

Gyorsabb és hatékonyabb elektronikus eszközök

A félvezető kolloid kvantumpontok nagy vezetőképessége és fémes viselkedése jelentős előnyökkel járhat az elektronikai eszközök számára, lehetővé téve gyorsabb és hatékonyabb tranzisztorok, napelemek, termoelektromos elemek, kijelzők és érzékelők (beleértve a fotodetektorokat) kifejlesztését – teszi hozzá Bisri. Az anyagok felhasználhatók olyan alapvető fizikai jelenségek vizsgálatára is, mint az erősen korrelált és topológiai állapotok.

A kutatók most más kvantumpontvegyületek tanulmányozását tervezik. „Szeretnénk hasonló vagy még jobb fémes viselkedést elérni az elektromos mező által kiváltott doppingon kívül más eszközökkel is” – árulta el Bisri.

Részletezik jelenlegi munkájukat Nature Communications.

Beszélj velünk

Szia! Miben segíthetek?