(Phys.org) — La ciliegina sulla torta per i nanocristalli semiconduttori che forniscono un effetto optoelettronico non smorzato può esistere come uno strato di stagno che si segrega vicino alla superficie.

Un metodo per alterare le proprietà elettriche di un semiconduttore consiste nell'introdurre impurità chiamate droganti. Un team guidato da Delia Milliron, un chimico della fonderia molecolare del Berkeley Lab, un centro nazionale di nanoscienze del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), ha dimostrato che altrettanto importante quanto la quantità di drogante è il modo in cui il drogante è distribuito sulla superficie e in tutto il materiale. Questo apre le porte all'ingegneria della distribuzione del drogante al fine di controllare quale lunghezza d'onda il materiale assorbirà e più in generale come la luce interagisce con i nanocristalli.

"Il doping nei nanocristalli semiconduttori è ancora un'arte in evoluzione, " dice Milliron. "Solo negli ultimi anni le persone hanno iniziato a osservare interessanti proprietà ottiche a seguito dell'introduzione di droganti in questi materiali, ma il modo in cui i droganti sono distribuiti all'interno dei nanocristalli rimane in gran parte sconosciuto. Quali siti occupano e dove si trovano in tutto il materiale influenza notevolmente le proprietà ottiche".

La più recente affermazione di Milliron alla fama, una tecnologia "finestra intelligente" che non solo blocca la radiazione infrarossa naturale (IR) consentendo il passaggio della luce visibile attraverso il vetro rivestito trasparente, ma consente anche un controllo indipendente su entrambi i tipi di radiazioni, si basa su un semiconduttore drogato chiamato ossido di indio e stagno (ITO).

ITO, in cui lo stagno (il drogante) ha sostituito alcuni degli ioni di indio nell'ossido di indio (il semiconduttore), è diventato il prototipo del materiale nanocristallino semiconduttore drogato. È utilizzato in tutti i tipi di dispositivi elettronici, compresi i display touchscreen, finestre intelligenti e celle solari.

"La cosa eccitante di questa classe di materiali è che i droganti sono in grado di introdurre elettroni liberi che si formano ad alta densità all'interno del materiale, che li rende conduttori e quindi utili come conduttori trasparenti, "dice Milliron

Ma gli stessi elettroni fanno sì che i materiali siano plasmonici nella parte IR dello spettro. Ciò significa che la luce di lunghezza d'onda IR può essere risonante con gli elettroni liberi nel materiale:i campi elettrici oscillanti nella luce risuonano e possono causare assorbimento.

"[Questi materiali] possono assorbire la luce IR in un modo che è sintonizzabile regolando il doping, pur essendo ancora trasparente alla luce naturale visibile. Una quantità regolabile di assorbimento della luce IR consente di controllare il riscaldamento. Per noi, questa è l'applicazione di guida, " spiega Millon.

Fino ad ora, sono state apportate modifiche modificando la quantità di drogante nel semiconduttore. Perplesso da studi in cui le proprietà ottiche non si comportavano come previsto, Milliron e il dottorando Sebastien Lounis dell'Università della California (UC) Berkeley hanno esaminato la spettroscopia fotoelettronica a raggi X per sondare gli elettroni vicino alla superficie dei campioni ITO e studiare la distribuzione degli elementi all'interno dei campioni presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL).

L'SSRL utilizza un fascio di fotoni sintonizzabile per eccitare gli elettroni all'interno del materiale. Se gli elettroni sono abbastanza vicini alla superficie, a volte possono essere emessi e raccolti da un rilevatore. Questi elettroni forniscono informazioni sulle proprietà del materiale, compreso il rapporto tra le quantità di diversi elementi come indio e stagno in ITO. L'aumento dell'energia del fascio di raggi X mostra come la composizione di stagno e indio cambia man mano che ci si sposta più in profondità nel campione. In definitiva, la tecnica della spettroscopia ha permesso a Milliron e al suo team di sondare la distribuzione del drogaggio in funzione della distanza dalla superficie dei nanocristalli.

Gli studi di due serie di campioni hanno permesso loro di correlare la distribuzione dello stagno con le proprietà ottiche, e mostrò che la forma e la lunghezza d'onda dell'assorbimento dei plasmoni dipendevano dalla distribuzione dello stagno. Lo stagno segregato sulla superficie ha mostrato una ridotta attivazione di droganti e risonanze plasmoniche simmetriche, senza smorzamento causato dai droganti.

"Quando la latta si trova vicino alla superficie, interagisce solo debolmente con la maggior parte degli elettroni liberi, " spiega Lounis. "Questo ci dà i vantaggi del doping senza alcuni inconvenienti".

"Ora che sappiamo come sondare, possiamo perseguire caratteristiche di design mirate per applicazioni particolari, " conclude Milliron. Il posizionamento deliberato di droganti in base alla progettazione fornisce un nuovo strumento per "comporre materiali plasmonici per fare esattamente ciò che vogliamo in termini di interazione con la luce".

Un documento su questa ricerca è stato accettato per la pubblicazione nel Giornale della Società Chimica Americana ( JACS ) nell'aprile 2014. Il documento è intitolato "L'influenza della distribuzione dei droganti sulle proprietà plasmoniche dei nanocristalli di ossido di indio e stagno" con Lounis come autore principale e Milliron come autore corrispondente. Altri autori sono Evan Runnerstorm, Amy Bergerud, e Dennis Nordlund.