Sfruttare la potenza del sole e creare dispositivi di raccolta o rilevamento della luce richiede un materiale che assorba la luce in modo efficiente e converta l'energia in corrente elettrica altamente mobile. Trovare il mix ideale di proprietà in un singolo materiale è una sfida, così gli scienziati hanno sperimentato modi per combinare materiali diversi per creare "ibridi" con caratteristiche migliorate.

In due articoli appena pubblicati, scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Stony Brook University, e l'Università del Nebraska descrivono uno di questi approcci che combina le eccellenti proprietà di raccolta della luce dei punti quantici con la conduttività elettrica regolabile di un semiconduttore a strati di disolfuro di stagno. Il materiale ibrido ha mostrato proprietà di raccolta della luce migliorate attraverso l'assorbimento della luce da parte dei punti quantici e il loro trasferimento di energia al disolfuro di stagno, sia nei test di laboratorio che quando incorporati in dispositivi elettronici. La ricerca apre la strada all'utilizzo di questi materiali in applicazioni optoelettroniche come il fotovoltaico per la raccolta di energia, sensori di luce, e diodi emettitori di luce (LED).

Secondo Mircea Cotlet, il chimico fisico che ha condotto questo lavoro presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) del Brookhaven Lab, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, "I dicalcogenuri metallici bidimensionali come il disolfuro di stagno hanno alcune proprietà promettenti per la conversione dell'energia solare e le applicazioni dei fotorivelatori, compreso un elevato rapporto di aspetto superficie-volume. Ma nessun materiale semiconduttore ha tutto. Questi materiali sono molto sottili e sono scarsi assorbitori di luce. Quindi stavamo cercando di mescolarli con altri nanomateriali come i punti quantici che assorbono la luce per migliorare le loro prestazioni attraverso il trasferimento di energia".

una carta, appena pubblicato sulla rivista ACS Nano , descrive uno studio fondamentale del materiale ibrido punto quantico/disolfuro di stagno da solo. Il lavoro analizza come la luce eccita i punti quantici (costituiti da un nucleo di seleniuro di cadmio circondato da un guscio di solfuro di zinco), che poi trasferiscono l'energia assorbita a strati di disolfuro di stagno vicini.

"Abbiamo escogitato un approccio interessante per discriminare il trasferimento di energia dal trasferimento di carica, due tipi comuni di interazioni promosse dalla luce in tali ibridi, " disse Prahlad Routh, uno studente laureato della Stony Brook University che lavora con Cotlet e co-primo autore del libro ACS Nano carta. "Lo facciamo utilizzando la spettroscopia a singolo nanocristallo per osservare come i singoli punti quantici lampeggiano quando interagiscono con il disolfuro di stagno simile a un foglio. Questo metodo semplice può valutare se i componenti di tali ibridi semiconduttori interagiscono per energia o per trasferimento di carica".

I ricercatori hanno scoperto che la velocità di trasferimento di energia non radiativa dai singoli punti quantici al disolfuro di stagno aumenta con un numero crescente di strati di disolfuro di stagno. Ma le prestazioni nei test di laboratorio non sono sufficienti per dimostrare i meriti di potenziali nuovi materiali. Quindi gli scienziati hanno incorporato il materiale ibrido in un dispositivo elettronico, un transistor ad effetto di campo fotografico, un tipo di rivelatore di fotoni comunemente usato per applicazioni di rilevamento della luce.

Come descritto in un documento pubblicato online il 24 marzo in Lettere di fisica applicata , il materiale ibrido ha migliorato notevolmente le prestazioni dei transistor foto-effetto di campo, determinando una risposta fotocorrente (conversione della luce in corrente elettrica) che era del 500% migliore rispetto ai transistor realizzati con il solo materiale disolfuro di stagno.

"Questo tipo di trasferimento di energia è un processo chiave che consente la fotosintesi in natura, " disse Chang-Yong Nam, uno scienziato dei materiali presso il Center for Functional Nanomaterials e co-autore corrispondente dell'articolo APL. "I ricercatori hanno cercato di emulare questo principio nei dispositivi elettrici che raccolgono la luce, ma è stato particolarmente difficile per i nuovi sistemi di materiali come il disolfuro di stagno che abbiamo studiato. Il nostro dispositivo dimostra i vantaggi in termini di prestazioni ottenuti utilizzando sia processi di trasferimento di energia che nuovi materiali a bassa dimensionalità".

Cotlet conclude, "L'idea di 'doping' materiali stratificati bidimensionali con punti quantici per migliorare le loro proprietà di assorbimento della luce mostra la promessa per la progettazione di celle solari e fotorivelatori migliori".