Da sinistra a destra:lo scienziato della linea di luce XPD Sanjit Ghose, ricercatrice post-dottorato Anna Plonka, e il chimico di Brookhaven Anatoly Frenkel. Credito:Brookhaven National Laboratory
Ricercatori dell'Università Ebraica di Gerusalemme, Stony Brook University, e il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno scoperto nuovi effetti di un importante metodo per modulare i semiconduttori. Il metodo, che funziona creando spazi aperti o "vacanze" nella struttura di un materiale, consente agli scienziati di mettere a punto le proprietà elettroniche dei nanocristalli semiconduttori (SCNC), particelle di semiconduttori più piccole di 100 nanometri. Questa scoperta farà progredire lo sviluppo di nuove tecnologie come finestre intelligenti, che può modificare l'opacità su richiesta.
Gli scienziati utilizzano una tecnica chiamata "doping chimico" per controllare le proprietà elettroniche dei semiconduttori. In questo processo, impurità chimiche, atomi di materiali diversi, vengono aggiunti a un semiconduttore per alterarne la conduttività elettrica. Sebbene sia possibile drogare gli SCNC, è molto difficile a causa delle loro piccole dimensioni. La quantità di impurità aggiunte durante il drogaggio chimico è così piccola che per drogare correttamente un nanocristallo, non più di pochi atomi possono essere aggiunti al cristallo. I nanocristalli tendono anche ad espellere le impurità, complicando ulteriormente il processo di doping.
Cercando di controllare più facilmente le proprietà elettroniche degli SCNC, i ricercatori hanno studiato una tecnica chiamata formazione di posti vacanti. In questo metodo, le impurità non vengono aggiunte al semiconduttore; Invece, le vacanze nella sua struttura sono formate da reazioni di ossidoriduzione (redox), un tipo di reazione chimica in cui gli elettroni vengono trasferiti tra due materiali. Durante questo trasferimento, un tipo di drogaggio si verifica come elettroni mancanti, chiamati buchi, diventare liberi di muoversi attraverso la struttura del cristallo, alterando significativamente la conduttività elettrica del SCNC.
"Abbiamo anche identificato effetti di dimensione nell'efficienza della reazione di drogaggio di formazione di posti vacanti, " disse Uri Banin, un nanotecnologo dell'Università Ebraica di Gerusalemme. "La formazione di posti vacanti è in realtà più efficiente negli SCNC più grandi".
In questo studio, i ricercatori hanno studiato una reazione redox tra i nanocristalli di solfuro di rame (il semiconduttore) e lo iodio, una sostanza chimica introdotta per influenzare la reazione di ossidoriduzione.
(In alto) La rimozione del rame dai nanocristalli di solfuro di rame e la crescita dello iodio di rame sulle sfaccettature dei nanocristalli è rappresentata dai risultati di XAFS; (In basso a sinistra) I nanocristalli più grandi vengono drogati in modo più efficiente dalla formazione di posti vacanti; (Destra) La formazione di posti vacanti è osservata da XRD. Credito:Brookhaven National Laboratory
"Se riduci il solfuro di rame, tirerai fuori rame dal nanocristallo, generando posti vacanti e quindi buchi, " disse Anatoly Frenkel, un chimico al Brookhaven National Laboratory che tiene un appuntamento con la Stony Brook University, e il ricercatore capo Brookhaven su questo studio.
I ricercatori hanno utilizzato la linea di luce di diffrazione a polvere di raggi X (XPD) presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, per studiare la struttura del solfuro di rame durante la reazione redox. Illuminando i loro campioni con raggi X ultra luminosi, i ricercatori sono in grado di determinare la quantità di rame che viene estratta durante la reazione redox.
Sulla base delle loro osservazioni presso NSLS-II, il team ha confermato che l'aggiunta di più iodio al sistema ha causato il rilascio di più rame e la formazione di più posti vacanti. Ciò ha stabilito che la formazione di posti vacanti è una tecnica utile per mettere a punto le proprietà elettroniche degli SCNC.
Ancora, i ricercatori avevano bisogno di scoprire cosa stava succedendo esattamente al rame quando ha lasciato il nanocristallo. Comprendere come si comporta il rame dopo la reazione redox è fondamentale per implementare questa tecnica nella tecnologia delle finestre intelligenti.
"Se il rame scompare in modo incontrollabile, non possiamo reinserirlo nel sistema, " disse Frenkel. "Ma supponiamo che il rame che viene estratto dal cristallo sia sospeso intorno, pronto per rientrare. Utilizzando il processo inverso, possiamo rimetterlo nel sistema, e possiamo creare un dispositivo che sarebbe facile passare da uno stato all'altro. Per esempio, saresti in grado di modificare la trasparenza di una finestra su richiesta, a seconda dell'ora del giorno o del tuo umore."
Per capire cosa stava succedendo al rame, i ricercatori hanno utilizzato la spettroscopia a struttura fine di assorbimento dei raggi X (XAFS) presso l'Advanced Photon Source (APS) - anche un DOE Office of Science User Facility - presso l'Argonne National Laboratory. Questa tecnica consente ai ricercatori di studiare i complessi di rame estremamente piccoli che la diffrazione dei raggi X non è in grado di rilevare. XAFS ha rivelato che il rame si stava combinando con lo iodio per formare iodio di rame, un risultato positivo che ha indicato che il rame potrebbe essere rimesso nel nanocristallo e che i ricercatori hanno il pieno controllo delle proprietà elettroniche.
