I punti quantici sono nanoparticelle di semiconduttore che possono essere sintonizzate per brillare in un arcobaleno di colori. Dalla loro scoperta negli anni '80, queste straordinarie nanoparticelle hanno offerto prospettive allettanti per tutti i tipi di nuove tecnologie, che vanno dai materiali per l'illuminazione verniciati e dalle celle solari ai chip per computer quantistici, marcatori biologici, e persino laser e tecnologie di comunicazione.

Ma c'è un problema:i punti quantici spesso lampeggiano.

Questa "intermittenza di fluorescenza, "come lo chiamano gli scienziati, ha messo un freno a molte potenziali applicazioni. I laser e le porte logiche non funzioneranno molto bene con fonti di luce incerte. I punti quantici possono assorbire colori specifici della luce, pure, ma utilizzarli per raccogliere la luce solare nel fotovoltaico non è ancora molto efficiente, dovuto in parte ai meccanismi dietro l'ammiccamento.

Gli scienziati dell'Università di Chicago che lavorano presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Dipartimento dell'Energia hanno recentemente sondato il misterioso processo di lampeggiamento nei punti quantici di silicio utilizzando simulazioni. I loro risultati, pubblicato nel numero del 28 febbraio di Nanoscala , avvicinare gli scienziati alla comprensione e possibilmente alla risoluzione del problema.

L'incredibile punto quantico

Punti quantici, conosciuti in vari modi come nanocristalli, nanoparticelle e nanopunti:possiedono alcune proprietà benefiche che mancano alle loro controparti di massa.

Eccita un punto quantico e si illumina brillantemente in uno specifico colore di luce. Varia la larghezza di alcuni atomi e puoi regolarla per illuminare colori diversi:più piccolo è il punto, più blu è la luce. Più grande è il punto, il più rosso. Allo stesso modo, i punti quantici possono essere sintonizzati per assorbire specifiche lunghezze d'onda della luce, una proprietà utile per le celle solari.

In confronto, la struttura molecolare dei semiconduttori bulk determina (e limita) i colori della luce (o delle energie) emessa e assorbita. Così, un diodo a emissione di luce (LED) costituito da un materiale può illuminarsi in verde mentre un altro si illumina in rosso. Per ottenere colori diversi, devi usare materiali diversi Celle solari, allo stesso modo, utilizzare strati di materiali diversi per catturare varie lunghezze d'onda della luce.

Così, perché un nanocristallo di semiconduttore si comporta in modo così diverso da un reticolo più grande dello stesso materiale? In una parola:taglia. Fabbricato artificialmente per contenere solo una manciata di atomi, i punti quantici sono così piccoli che esistono nella zona crepuscolare tra Newton e la fisica quantistica, a volte obbedendo a una serie di regole, a volte l'altro, spesso con effetti sorprendenti.

Mentre i cristalli dei semiconduttori sfusi possono perdere e riacquistare elettroni (è così che conducono una carica), gli elettroni di un punto quantico sono confinati all'interno del punto. Questo stato è chiamato confinamento quantistico. Quando gli elettroni di un punto quantico interagiscono con la luce, possono subire una transizione e "saltare" (quanto-meccanicamente) in uno stato che in condizioni normali non è occupato. L'energia associata al salto più piccolo è chiamata gap. Il gap è quindi l'energia in eccesso che gli elettroni possono cedere, idealmente come luce (o nel caso del fotovoltaico, vettori) quando si passa a uno stato energetico inferiore. Di conseguenza, il raggio del materiale definisce l'energia che questi punti possono assorbire ed emettere.

Lampeggio fastidioso

punti quantici, però, tendono ad accendersi e spegnersi. Il lampeggio non è casuale (obbedisce a una "legge di potere"), ma non è nemmeno prevedibile. Così, singole particelle potrebbero diventare scure solo per nanosecondi o rimanere scure per minuti alla volta o per un intervallo intermedio.

Gli scienziati hanno alcune idee su cosa causa il battito delle palpebre, ma ancora non capisco esattamente come funziona, disse Márton Vörös, un ricercatore post-dottorato dell'Università di Chicago che è stato coautore dello studio.

"C'è stata questa idea che i difetti superficiali, per esempio un legame penzolante sulla superficie di un nanocristallo, può intrappolare gli elettroni e causare questo passaggio tra stati luminosi e scuri, " ha affermato Vörös che ha eseguito i calcoli al NERSC. "Ci sono già alcuni modelli microscopici proposti da altri gruppi che si basano sui difetti, ma manca ancora una comprensione completa".

La carica conta

Per studiare sbattere le palpebre, il team ha utilizzato nanoparticelle di silicio (Si) simulate configurate con vari difetti e rivestite con biossido di silicio. Partendo da tre diversi possibili stati di difetto, hanno usato il supercomputer Hopper (un Cray XE6) per calcolare le proprietà ottiche ed elettroniche della nanoparticella di silicio ossidato con il pacchetto scientifico chiamato Quantum Espresso.

Per eseguire i loro calcoli, il team ha prima costruito modelli virtuali. Hanno ricavato computazionalmente buchi virtuali da un ossido di silicio cristallino (SiO ₂ ) matrice e punti quantici di silicio inseriti di varie dimensioni, cicli di calcolo di ricottura e raffreddamento per creare un'interfaccia più realistica tra i punti quantici e il SiO ₂ matrice. Finalmente, difetti di legame penzolanti sono stati introdotti sulla superficie dei punti quantici rimuovendo alcuni atomi selezionati.

Calcolando le proprietà elettroniche e la velocità con cui gli elettroni rilasciano energia, hanno scoperto che gli stati intrappolati causano effettivamente l'oscuramento dei punti quantici. I legami penzolanti sulla superficie delle nanoparticelle di silicio hanno intrappolato gli elettroni dove si sono ricombinati "non radiativamente" rilasciando calore. Questo è, gli elettroni diffondono l'energia in eccesso senza irradiare luce. Ma era un po' più complicato di così. L'attenuazione dipendeva anche dalla carica complessiva dell'intero punto quantico, la squadra ha trovato.

A volte un elettrone può rimanere intrappolato nel materiale in cui è incorporato un punto, silice in questo caso, dando al punto una carica complessivamente positiva. Solo quando l'elettrone rimane intrappolato sulla superficie del nanopunto, rendendolo neutro o carico negativamente decadrebbe senza irradiare luce. "Così, quando il punto è caricato positivamente, sarà luminoso. Quando è neutro o carico negativamente, ci aspettiamo che sia buio, " ha detto Nicholas P. Brawand, uno studente laureato dell'Università di Chicago che è stato coautore dello studio.

Oltre a sbattere le palpebre

Per arrivare ai loro risultati, i ricercatori hanno dovuto ideare modelli realistici di punti quantici e calcolare le loro proprietà da basi, principi scientifici, quelli che gli scienziati chiamano calcoli ab intio (dal latino "fin dall'inizio"). Quei calcoli hanno preso più di 100, 000 ore di elaborazione su Hopper. "I calcoli necessari per giungere a queste conclusioni erano computazionalmente piuttosto impegnativi, " ha detto Vörös. "Non avremmo potuto fare il nostro lavoro senza le risorse del NERSC."

"I nostri risultati sono i primi calcoli ab initio riportati che mostrano che i legami penzolanti sulla superficie delle nanoparticelle di silicio ossidato possono agire come efficienti centri di ricombinazione non radiativa, " ha detto la coautrice Giulia Galli, chi è Liew Family professore di struttura elettronica e simulazioni presso l'Istituto di ingegneria molecolare dell'Università di Chicago. "I nostri risultati forniscono una convalida a priori dell'interpretazione del ruolo che i difetti dei legami penzolanti giocano in diversi dispositivi fotonici e optoelettronici".

Inoltre, le tecniche dei ricercatori possono essere utilizzate per affrontare gli effetti dell'intrappolamento nelle celle solari. "Trappola, lo stesso meccanismo fisico che provoca l'ammiccamento, può effettivamente limitare l'efficienza delle celle solari, " disse Vörös. '

"Ora che abbiamo testato questa tecnica, possiamo applicarlo alle celle solari a nanocristalli, pure, " disse Galli.