I ricercatori dell'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato nanoparticelle di germanio con fotoluminescenza migliorata, rendendoli materiali potenzialmente migliori per le celle solari e le sonde di imaging. Il team di ricerca ha scoperto che aggiungendo stagno al nucleo di germanio della nanoparticella, la sua struttura reticolare si adattava meglio alla struttura reticolare del rivestimento in solfuro di cadmio che consente alle particelle di assorbire più luce.

"Per un materiale fotovoltaico, ovviamente assorbire la luce è la prima parte e convertire quell'energia solare in energia elettrica è la seconda, ", ha detto Emily Smith, scienziata del laboratorio di Ames. "Quindi si desidera un materiale che faccia entrambe le cose in modo efficiente. Il germanio ha alcune caratteristiche desiderabili per i materiali fotovoltaici, ma purtroppo non assorbe bene la luce."

Parte del problema è che la superficie esterna delle nanoparticelle di germanio cambia nel tempo, principalmente dall'ossidazione. Il lavoro precedente del gruppo dello scienziato dell'Ames Laboratory Javier Vela ha scoperto che il rivestimento di nanoparticelle, comunemente indicato come passivazione superficiale, ha migliorato la capacità delle nanoparticelle di assorbire la luce.

"In realtà non stiamo misurando l'assorbimento, "Spiegò Smith, "Misuriamo la luminescenza, la quantità di luce emessa dopo che un fotone è stato assorbito".

"Il fatto che il germanio non assorba bene la luce è un modo semplice per dire che è un materiale bandgap indiretto, "Smith ha aggiunto, "e stiamo cercando di creare un materiale più diretto per il bandgap, uno che assorbe meglio la luce."

Secondo la letteratura di ricerca, l'aggiunta di stagno sembra migliorare le proprietà di assorbimento della luce del germanio. Però, i ricercatori del Laboratorio Ames hanno scoperto che anche con l'aggiunta di stagno, le nanoparticelle richiedevano ancora un rivestimento superficiale. Ma hanno anche scoperto che la relazione tra la struttura atomica del rivestimento superficiale e il materiale del nucleo può migliorare ulteriormente l'assorbimento della luce.

Il metodo specifico utilizzato è chiamato adsorbimento e reazione dello strato ionico successivo o "SILAR", che è stato adattato per la prima volta ai colloidi del gruppo IV diversi anni fa.

"Da molti anni sviluppiamo le competenze necessarie per coltivare nuclei/guscio complessi e altre nanoparticelle ben definite, "Vela ha detto "Attraverso la nostra collaborazione con il gruppo di Emily Smith, speriamo di continuare a fare breccia nella nostra capacità di manipolare e dirigere i flussi di energia su scala nanometrica".

Utilizzando l'imaging al microscopio elettronico a trasmissione e la diffrazione di raggi X su polvere per studiare le caratteristiche strutturali delle nanoparticelle e spettroscopie Raman e fotoluminescenza per quantificare la deformazione reticolare e il comportamento della fotoluminescenza, il gruppo ha trovato una correlazione tra la quantità di stagno nel nucleo e quanto bene il reticolo del nucleo corrispondesse a quello del guscio esterno in solfuro di cadmio.

"Gli atomi si trovano in una posizione molto specifica all'interno del nucleo del nanocristallo e quando si applica il guscio attorno al nanocristallo, gli atomi del guscio potrebbero non combaciare perfettamente con gli atomi del nucleo, " Smith ha detto. "Con il germanio solo materiale utilizzato in precedenza, il nucleo e il guscio non combaciavano perfettamente."

"Quando abbiamo studiato le particelle di germanio-stagno, abbiamo proposto che funzionassero meglio perché la spaziatura degli atomi corrisponde meglio alla spaziatura degli atomi che abbiamo usato nello strato di rivestimento, " ha detto. "In questo modo, stai ottenendo un guscio più perfetto che ha meno probabilità di causare cambiamenti chimici sulla superficie del nucleo di nanoparticelle".

Un altro potenziale utilizzo di questo materiale, oltre al fotovoltaico, è che in microscopia o imaging, i ricercatori hanno spesso bisogno di "etichettare" una proteina o un'altra caratteristica con una "sonda" di nanoparticelle per farla illuminare in modo che sia più facile da vedere e studiare.

I risultati della ricerca, "Nanocristalli con nucleo/shell di germanio-stagno/solfuro di cadmio con fotoluminescenza nel vicino infrarosso migliorata, " sono stati pubblicati sulla rivista dell'American Chemical Society Chimica dei materiali .