I ricercatori dell'Università Ebraica di Gerusalemme hanno ottenuto una svolta nel campo della nanoscienza alterando con successo le proprietà dei nanocristalli con atomi di impurità - un processo chiamato doping - aprendo così la strada alla produzione di nanocristalli semiconduttori migliorati.

I nanocristalli semiconduttori sono costituiti da decine a migliaia di atomi e sono 10, 000 volte più piccolo della larghezza di un capello umano. Queste minuscole particelle hanno usi in una miriade di campi, come l'illuminazione a stato solido, celle solari e bio-imaging. Una delle principali potenziali applicazioni di questi straordinari materiali è nell'industria dei semiconduttori, dove la miniaturizzazione intensiva ha avuto luogo negli ultimi 50 anni ed è ora nell'ordine dei nanometri.

Però, questi semiconduttori sono pessimi conduttori elettrici, e per utilizzarli nei circuiti elettronici, la loro conduttività deve essere regolata con l'aggiunta di impurità. In questo processo, atomi estranei, chiamate impurità, vengono introdotti nel semiconduttore, determinando un miglioramento della sua conduttività elettrica.

Oggi, l'industria dei semiconduttori spende ogni anno miliardi di dollari in sforzi per aggiungere intenzionalmente impurità nei prodotti a semiconduttore, che è un passo importante nella produzione di numerosi prodotti elettronici, compresi i chip per computer, diodi emettitori di luce e celle solari.

A causa dell'importanza del doping per l'industria dei semiconduttori, i ricercatori di tutto il mondo hanno compiuto continui tentativi di drogare i nanocristalli per ottenere una miniaturizzazione sempre maggiore e migliorare i metodi di produzione dei dispositivi elettronici. Sfortunatamente, questi minuscoli cristalli sono resistenti al doping, in quanto la loro piccola dimensione fa sì che le impurità vengano espulse. Un ulteriore problema è la mancanza di tecniche analitiche disponibili per studiare piccole quantità di droganti nei nanocristalli. A causa di questa limitazione, la maggior parte della ricerca in questo settore si è concentrata sull'introduzione di impurità magnetiche, che può essere analizzato più facilmente. Però, le impurità magnetiche non migliorano realmente la conduttività del nanocristallo.

Il Prof. Uri Banin e il suo dottorando, David Motta, del Centro per le nanoscienze e le nanotecnologie dell'Università Ebraica, hanno raggiunto una svolta nel loro sviluppo di un semplice, reazione chimica a temperatura ambiente per introdurre atomi di impurità di metalli nei nanocristalli semiconduttori. Hanno visto nuovi effetti non precedentemente segnalati. Però, quando i ricercatori hanno cercato di spiegare i risultati, hanno scoperto che la fisica dei nanocristalli drogati non era molto ben compresa.

Poco a poco, in collaborazione con il Prof. Oded Millo dell'Università Ebraica e con Guy Cohen e il Prof. Eran Rabani dell'Università di Tel Aviv, hanno costruito un quadro completo di come le impurità influenzano le proprietà dei nanocristalli. La difficoltà iniziale nello spiegare questo processo si è rivelata una grande opportunità, quando hanno scoperto che l'impurità colpisce il nanocristallo in modi inaspettati, con conseguente fisica nuova e intrigante.

"Abbiamo dovuto usare una combinazione di molte tecniche che, messe insieme, rendono ovvio che siamo riusciti a drogare i nanocristalli. Ci sono voluti cinque anni ma alla fine ci siamo arrivati, ", ha detto Moccatta.

Questa svolta è stata riportata di recente sulla prestigiosa rivista Scienza . Pone le basi per lo sviluppo di molte potenziali applicazioni con nanocristalli, dall'elettronica all'ottica, dal rilevamento alle soluzioni energetiche alternative. I nanocristalli drogati possono essere utilizzati per realizzare nuovi tipi di nanolaser, celle solari, sensori e transistor, soddisfare le esigenti richieste dell'industria dei semiconduttori.