Gli assemblaggi di punti quantici tendono ad essere molto disordinati, ma quando le sfaccettature di queste minuscole strutture semiconduttrici sono allineate come soldati in parata, accade qualcosa di strano: i punti diventano molto bravi a condurre l'elettricità. Questa è la scoperta dei ricercatori del Centro RIKEN per la scienza della materia emergente in Giappone, che affermano che questi "superreticoli" ordinati, quasi bidimensionali di punti quantici potrebbero rendere possibile lo sviluppo di un'elettronica più veloce ed efficiente.
I punti quantici sono strutture semiconduttrici che confinano gli elettroni in tutte e tre le dimensioni spaziali. Questo confinamento significa che i punti quantici si comportano in qualche modo come singole particelle quantistiche anche se contengono migliaia di atomi e misurano fino a 50 nm di diametro. Grazie alle loro proprietà simili a particelle, i punti quantici hanno trovato impiego in molte applicazioni optoelettroniche, tra cui celle solari, sistemi di imaging biologico e display elettronici.
C'è un intoppo, però. Il disordine generale degli assiemi di punti quantici significa che i portatori di carica non fluiscono in modo efficiente attraverso di essi. Ciò rende la loro conduttività elettrica scarsa e le tecniche standard per introdurre l'ordine non hanno aiutato molto. "Sebbene l'ordine delle assemblee possa essere migliorato, abbiamo riscontrato che non è sufficiente", afferma Satria Zulkarnaen Bisri, che ha guidato lo studio RIKEN ed è ora professore associato presso il Università di Tokyo di agricoltura e tecnologia.
Uno sguardo nuovo ai punti quantici
Bisri spiega che per migliorare la conduttività dei punti quantici, dobbiamo guardarli in un modo diverso, non come oggetti sferici, come avviene attualmente, ma come pezzi di materia con una serie di proprietà cristallografiche uniche ereditate dalla loro struttura cristallina composta. . "Anche l'uniformità dell'orientamento dei punti quantici è importante", afferma. "Capire questo ci ha permesso di formulare un modo per controllare l'assemblaggio dei punti quantici regolando l'interazione tra le sfaccettature dei punti quantici vicini".
I ricercatori hanno realizzato i loro assemblaggi di punti quantici, o superreticoli, creando quello che è noto come un film di Langmuir. Bisri descrive questo processo come un po' come spruzzare olio sulla superficie dell'acqua e lasciarlo diffondere in uno strato molto sottile. Nel loro esperimento, l'"olio" è costituito dai punti quantici, mentre l'"acqua" è un solvente che aiuta i punti a connettersi l'un l'altro in modo selettivo, tramite determinate sfaccettature, per formare un monostrato ordinato, o superreticolo.
"Le buone proprietà di questo superreticolo monostrato sono che l'ordine su larga scala e l'orientamento coerente dei blocchi di costruzione dei punti quantici riducono al minimo i disordini energetici in tutto l'assemblaggio", dice Bisri Mondo della fisica. "Ciò consente un controllo più preciso sulle proprietà elettroniche dei punti".
I ricercatori di RIKEN hanno scoperto che potevano rendere il loro sistema fino a un milione di volte più conduttivo degli insiemi di punti quantici che non erano collegati epitassialmente in questo modo. Bisri spiega che questo aumento della conduttività è associato a un aumento del livello di drogaggio dei portatori di carica nel sistema. A questo drogaggio più elevato, il trasporto di carica da un punto quantico all'altro non è più governato da un processo di trasporto a salto (come avviene in un isolante), ma da un meccanismo di trasporto delocalizzato attraverso minibande elettroniche – “proprio come accadrebbe in un materiale metallico ”, dice Bisri.
La simmetria elettrone-lacuna nei punti quantici è promettente per il calcolo quantistico
Dispositivi elettronici più veloci ed efficienti
L'elevata conduttività e il comportamento metallico nei punti quantici colloidali semiconduttori potrebbero portare vantaggi significativi per i dispositivi elettronici, rendendo possibile lo sviluppo di transistor, celle solari, termoelettrici, display e sensori (compresi i fotorilevatori) più veloci ed efficienti, aggiunge Bisri. I materiali potrebbero anche essere usati per studiare fenomeni fisici fondamentali come stati fortemente correlati e topologici.
I ricercatori hanno ora in programma di studiare altri composti di punti quantici. "Vorremmo anche ottenere un comportamento metallico simile o addirittura migliore utilizzando altri mezzi oltre al drogaggio indotto dal campo elettrico", rivela Bisri.
Descrivono in dettaglio il loro lavoro attuale in Nature Communications.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/lined-up-quantum-dots-become-highly-conductive/