I punti quantici sono particelle semiconduttrici di dimensioni nanometriche con potenziali applicazioni nelle celle solari e nell'elettronica. Scienziati dell'Università di Groningen e i loro colleghi dell'ETH di Zurigo hanno scoperto come aumentare l'efficienza della conduttività di carica nei punti quantici di piombo e zolfo. I loro risultati saranno pubblicati sulla rivista Progressi scientifici il 29 settembre.

I punti quantici sono gruppi di circa 1, 000 atomi che agiscono come un grande "super-atomo". I punti, sintetizzati come colloidi, cioè sospeso in un liquido come una sorta di pittura, possono essere organizzati in film sottili con semplici tecniche di elaborazione basate su soluzioni. Questi film sottili possono trasformare la luce in elettricità. Però, gli scienziati hanno scoperto che le proprietà elettroniche sono un collo di bottiglia. "Soprattutto la conduzione di buchi, la controparte positiva degli elettroni caricati negativamente, " spiega Daniel Balazs, dottorato di ricerca studente nel gruppo di Fotofisica e Optoelettronica della Prof.ssa Maria A. Loi presso l'Università di Groningen Zernike Institute for Advanced Materials.

Stechiometria

Il gruppo di Loi lavora con punti quantici di solfuro di piombo. Quando la luce produce una coppia elettrone-lacuna in questi punti, l'elettrone e la lacuna non si muovono con la stessa efficienza attraverso l'assemblaggio di punti. Quando il trasporto di entrambi è limitato, le lacune e gli elettroni possono facilmente ricombinarsi, che riduce l'efficienza della conversione luce-energia. Balazs si è quindi proposto di migliorare la scarsa conduttanza del foro nei punti quantici e di trovare un kit di strumenti per rendere questa classe di materiali sintonizzabile e multifunzionale.

"La radice del problema è la stechiometria piombo-zolfo, " spiega. In punti quantici, quasi la metà degli atomi si trova sulla superficie del super-atomo. Nel sistema piombo-zolfo, gli atomi di piombo riempiono preferenzialmente la parte esterna, il che significa un rapporto tra piombo e zolfo di 1:3 anziché 1:1. Questo eccesso di piombo rende questo punto quantico un conduttore di elettroni migliore rispetto alle lacune.

Film sottili

In materiale sfuso, il trasporto viene generalmente migliorato "drogando" il materiale:aggiungendo piccole quantità di impurità. Però, i tentativi di aggiungere zolfo ai punti quantici sono finora falliti. Ma ora, Balazs e Loi hanno trovato un modo per farlo e quindi aumentare la mobilità delle lacune senza influire sulla mobilità degli elettroni.

Molti gruppi hanno cercato di combinare l'aggiunta di zolfo con altre fasi di produzione. Però, questo ha causato molti problemi, come interrompere l'assemblaggio dei punti nel film sottile. Anziché, Balazs ha prima prodotto film sottili ordinati e poi ha aggiunto zolfo attivato. Gli atomi di zolfo sono stati così aggiunti con successo alla superficie dei punti quantici senza influenzare le altre proprietà del film. "Un'attenta analisi dei processi chimici e fisici durante l'assemblaggio di film sottili di punti quantici e l'aggiunta di zolfo extra erano ciò che era necessario per ottenere questo risultato. Ecco perché il nostro gruppo, con la collaborazione dei nostri colleghi chimici di Zurigo, alla fine ha avuto successo".

Dispositivi

Il team di Loi è ora in grado di aggiungere diverse quantità di zolfo, che consente loro di sintonizzare le proprietà elettriche dei gruppi di super-atomi. "Ora sappiamo che possiamo migliorare l'efficienza delle celle solari a punti quantici al di sopra dell'attuale record dell'11%. Il passo successivo è dimostrare che questo metodo può anche realizzare altri tipi di dispositivi funzionali come i dispositivi termoelettrici". Sottolinea le proprietà uniche dei punti quantici:agiscono come un atomo con proprietà elettriche specifiche. "E ora possiamo assemblarli e progettare le loro proprietà elettriche come desideriamo. Questo è qualcosa che è impossibile con i materiali sfusi e apre nuove prospettive per i dispositivi elettronici e optoelettronici".