I progressi della nostra era elettronica si basano sulla nostra capacità di controllare come si muove la carica elettrica, dal punto A al punto B, attraverso circuiti. Farlo richiede particolare precisione, per applicazioni che vanno dai computer, sensori di immagine e celle solari, e quel compito spetta ai semiconduttori.
Ora, un gruppo di ricerca presso le scuole di ingegneria e scienze applicate e arti e scienze dell'Università della Pennsylvania ha mostrato come controllare le caratteristiche dei nanofili semiconduttori realizzati con un materiale promettente:il seleniuro di piombo.
Guidato da Cherie Kagan, professore presso i dipartimenti di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi, Scienza e Ingegneria dei Materiali e Chimica e condirettore di Pennergy, Il centro di Penn si è concentrato sullo sviluppo di tecnologie energetiche alternative, la ricerca del team è stata condotta principalmente da David Kim, uno studente laureato nel programma di scienza e ingegneria dei materiali.
Il lavoro del team è stato pubblicato online sulla rivista ACS Nano e sarà presentato nel podcast di aprile del Journal.
Il contributo chiave del lavoro del team riguarda il controllo delle proprietà conduttive dei nanofili di seleniuro di piombo nei circuiti. I semiconduttori sono di due tipi, n e p, riferendosi alla carica negativa o positiva che possono portare. Quelli che muovono gli elettroni, che hanno una carica negativa, sono chiamati "tipo n". Le loro controparti di "tipo p" non muovono protoni, ma piuttosto l'assenza di un elettrone - un "buco" - che è l'equivalente di spostare una carica positiva.
Prima di essere integrati nei circuiti, il nanofilo semiconduttore deve essere "cablato" in un dispositivo. Gli elettrodi metallici devono essere posizionati su entrambe le estremità per consentire all'elettricità di fluire dentro e fuori; però, il "cablaggio" può influenzare le caratteristiche elettriche osservate dei nanofili, se il dispositivo sembra essere di tipo n o di tipo p. Contaminazione, anche dall'aria, può anche influenzare il tipo di dispositivo. Attraverso una rigorosa sintesi air-free, purificazione e analisi, hanno tenuto puliti i nanofili, permettendo loro di scoprire le proprietà uniche di questi nanomateriali di seleniuro di piombo.
I ricercatori hanno progettato esperimenti che hanno permesso loro di separare l'influenza del "cablaggio" metallico sul movimento di elettroni e lacune da quella del comportamento intrinseco ai nanofili di seleniuro di piombo. Controllando l'esposizione del dispositivo a nanofili a semiconduttore all'ossigeno o all'idrazina chimica, sono stati in grado di modificare le proprietà conduttive tra tipo p e tipo n. Alterare la durata e la concentrazione dell'esposizione, il tipo di dispositivo nanowire potrebbe essere capovolto avanti e indietro.
"Se esponi le superfici di queste strutture, che sono unici per i materiali su scala nanometrica, puoi renderli di tipo p, puoi renderli di tipo n, e puoi farli da qualche parte nel mezzo, dove può condurre sia elettroni che lacune, " Ha detto Kagan. "Questo è ciò che chiamiamo 'ambipolare.'"
I dispositivi che combinano un semiconduttore di tipo n e uno di tipo p sono utilizzati in molte applicazioni high-tech, che vanno dai circuiti dell'elettronica di tutti i giorni, alle celle solari e termoelettriche, che può convertire il calore in elettricità.
"Pensare a come possiamo costruire queste cose e sfruttare le caratteristiche dei materiali su scala nanometrica è davvero ciò che questa nuova comprensione consente, " ha detto Kagan.
Capire le caratteristiche dei materiali su scala nanometrica e il loro comportamento nelle strutture dei dispositivi sono i primi passi per guardare avanti alle loro applicazioni.
Questi nanofili di seleniuro di piombo sono interessanti perché possono essere sintetizzati con metodi a basso costo in grandi quantità.
"Rispetto ai grandi macchinari di cui hai bisogno per realizzare altri dispositivi a semiconduttore, è notevolmente più economico, " Ha detto Kagan. "Non sembra molto più complicato di quanto le persone riconoscerebbero da quando hanno dovuto prendere il laboratorio di chimica".
Oltre al basso costo, il processo di produzione dei nanofili di seleniuro di piombo è relativamente semplice e coerente.
"Non devi andare ad alte temperature per ottenere quantità massicce di questi nanofili di seleniuro di piombo di alta qualità, " Kim ha detto. "Le tecniche che usiamo sono ad alta resa e ad alta purezza; possiamo usarli tutti".
E poiché le qualità conduttive dei nanofili di seleniuro di piombo possono essere modificate mentre si trovano in un dispositivo, hanno una gamma più ampia di funzionalità, a differenza dei tradizionali semiconduttori al silicio, che deve prima essere "drogato" con altri elementi per renderli "p" o "n".
Il lavoro del team Penn è un passo verso l'integrazione di questi nanomateriali in una gamma di dispositivi elettronici e optoelettronici, come fotosensori.
