I film realizzati con nanocristalli semiconduttori - minuscoli cristalli che misurano solo pochi miliardesimi di metro di diametro - sono visti come un nuovo materiale promettente per un'ampia gamma di applicazioni. I nanocristalli potrebbero essere utilizzati in circuiti elettronici o fotonici, rivelatori di biomolecole, o i pixel luminosi sugli schermi di visualizzazione ad alta risoluzione. Promettono anche celle solari più efficienti.

La dimensione di un nanocristallo semiconduttore determina le sue proprietà elettriche e ottiche. Ma è molto difficile controllare il posizionamento dei nanocristalli su una superficie per realizzare film strutturalmente uniformi. I tipici film di nanocristalli hanno anche crepe che ne limitano l'utilità e rendono impossibile misurare le proprietà fondamentali di questi materiali.

Ora, i ricercatori del MIT affermano di aver trovato modi per creare modelli privi di difetti di film di nanocristalli in cui la forma e la posizione dei film sono controllate con risoluzione su scala nanometrica, potenzialmente aprendo un'area significativa per la ricerca e possibili nuove applicazioni.

“Abbiamo cercato di capire come si muovono gli elettroni nelle matrici di questi nanocristalli, ” che è stato difficile con un controllo limitato sulla formazione degli array, dice il fisico Marc Kastner, il Professore di Scienze Donner, preside della School of Science del MIT e autore senior di un articolo pubblicato online sulla rivista Nano lettere .

Il lavoro si basa sulla ricerca di Moungi Bawendi, il Lester Wolfe Professor of Chemistry al MIT e coautore di questo articolo, che è stato uno dei primi ricercatori a controllare con precisione la produzione di nanocristalli. Tale controllo ha reso possibile, tra l'altro, per produrre materiali che brillano, o fluorescente, in una gamma di colori diversi in base alle loro dimensioni, anche se sono tutti realizzati con lo stesso materiale.

Nelle fasi iniziali del nuovo lavoro, il postdoc Tamar Mentzel ha prodotto modelli su nanoscala che emettono luce infrarossa invisibile. Ma lavorare su tali sistemi è noioso, poiché ogni messa a punto deve essere verificata utilizzando la microscopia elettronica che richiede tempo. Così, quando Mentzel riuscì a far brillare di luce visibile i modelli di nanocristalli di semiconduttori, rendendoli visibili attraverso un microscopio ottico, significava che il team poteva accelerare notevolmente lo sviluppo della nuova tecnologia. “Anche se i modelli su scala nanometrica sono al di sotto del limite di risoluzione del microscopio ottico, i nanocristalli fungono da sorgente luminosa, renderli visibili, "dice Mentzel.

La conduttività elettrica dei film privi di difetti dei ricercatori è circa 180 volte maggiore di quella dei film incrinati realizzati con metodi convenzionali. Inoltre, il processo sviluppato dal team del MIT ha già reso possibile creare modelli su una superficie di silicio di soli 30 nanometri di diametro, circa la dimensione delle migliori caratteristiche possibili con le attuali tecniche di produzione.

Il processo è unico nel produrre modelli così piccoli di pellicole prive di difetti, dice Mentzel. “Il trucco era rendere il film uniforme, e di aderire” al substrato di biossido di silicio, Kastner aggiunge. Ciò è stato ottenuto lasciando un sottile strato di polimero per rivestire la superficie prima di depositarvi sopra lo strato di nanocristalli. I ricercatori ipotizzano che minuscole molecole organiche sulla superficie dei nanocristalli li aiutino a legarsi allo strato polimerico.

Tali modelli di nanocristalli potrebbero avere molte applicazioni, dice Kastner. Poiché questi nanocristalli possono essere sintonizzati non solo per emettere ma anche per assorbire un ampio spettro di colori di luce, potrebbero consentire un nuovo tipo di cella solare ad ampio spettro, lui dice.

Ma l'interesse personale di Kastner e Mentzel ha più a che fare con la fisica di base:poiché i minuscoli cristalli si comportano quasi come atomi sovradimensionati, i ricercatori mirano a utilizzare gli array per studiare i processi fondamentali dei solidi, dice Mentzel. Il successo di questa tecnica ha già consentito nuove ricerche su come si muovono gli elettroni nei film.

Tali materiali potrebbero essere utilizzati anche per sviluppare rivelatori sensibili per piccole quantità di determinate molecole biologiche, sia come sistemi di screening per le tossine o come dispositivi per test medici, dicono i ricercatori.

Douglas Natelson, un professore di fisica e astronomia alla Rice University che non era coinvolto in questo lavoro, dice, “La sfida in passato è stata quella di raggiungere sottili, film uniformi, modellato ad alta risoluzione, con un buon contatto tra i nanocristalli e nessuna fessurazione." L'approccio del team del MIT, lui dice, “Anche se apparentemente semplice in apparenza, raggiunge tutti questi obiettivi”.

Natelson aggiunge:“Penso che questo sia un bel risultato. Le immagini a fluorescenza che mostrano i film con nanomodelli sono strabilianti, in particolare per coloro che sanno quanto sia difficile.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.