Gli scienziati del Center for Functional Nanomaterials (CFN), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) presso il Brookhaven National Laboratory, hanno utilizzato una tecnica di imaging optoelettronico per studiare il comportamento elettronico di nanomateriali atomicamente sottili esposti alla luce. In combinazione con l'imaging ottico su nanoscala, questa tecnica di microscopia a scansione fotocorrente fornisce un potente strumento per comprendere i processi che influenzano la generazione di corrente elettrica (fotocorrente) in questi materiali. Tale comprensione è fondamentale per migliorare le prestazioni delle celle solari, sensori ottici, diodi emettitori di luce (LED), e altri dispositivi optoelettronici:dispositivi elettronici che si basano su interazioni luce-materia per convertire la luce in segnali elettrici o viceversa.

"Chiunque voglia sapere come la corrente elettrica indotta dalla luce viene distribuita su un semiconduttore trarrà vantaggio da questa capacità, " ha affermato lo scienziato dei materiali CFN Mircea Cotlet, autore co-corrispondente sul documento del 17 maggio sui materiali funzionali avanzati che descrive il lavoro.

Generazione di una corrente elettrica

Quando viene colpito dalla luce, i semiconduttori (materiali che hanno una resistenza elettrica intermedia a quella dei metalli e degli isolanti) generano una corrente elettrica. Semiconduttori costituiti da uno o più strati di atomi, ad esempio grafene, che ha un singolo strato di atomi di carbonio, sono di particolare interesse per l'optoelettronica di prossima generazione a causa della loro sensibilità alla luce, che possono alterare in modo controllabile la loro conduttività elettrica e flessibilità meccanica. Però, la quantità di luce che i semiconduttori atomicamente sottili possono assorbire è limitata, limitando così la risposta dei materiali alla luce.

Per migliorare le proprietà di raccolta della luce di questi materiali bidimensionali (2-D), gli scienziati aggiungono minuscole particelle semiconduttrici (10-50 atomi di diametro) chiamate punti quantici negli strati. I risultanti nanomateriali "ibridi" non solo assorbono più luce, ma hanno anche interazioni che si verificano all'interfaccia dove i due componenti si incontrano. A seconda della loro dimensione e composizione, i punti quantici eccitati dalla luce trasferiranno carica o energia al materiale 2-D. Sapere come questi due processi influenzano la risposta alla fotocorrente del materiale ibrido in diverse condizioni ottiche ed elettriche, come l'intensità della luce in ingresso e la tensione applicata, è importante per progettare dispositivi optoelettronici con proprietà su misura per particolari applicazioni.

"I fotorilevatori rilevano un livello di luce estremamente basso e convertono quella luce in un segnale elettrico, " spiegò Cotlet. "D'altra parte, i dispositivi fotovoltaici come le celle solari sono fatti per assorbire quanta più luce possibile per produrre una corrente elettrica. Per progettare un dispositivo che funzioni per il fotorilevamento o per applicazioni fotovoltaiche, dobbiamo sapere quale dei due processi, carica o trasferimento di energia, è vantaggioso".

Accensione dei processi di carica e trasferimento di energia

In questo studio, gli scienziati CFN hanno combinato disolfuro di molibdeno atomicamente sottile con punti quantici. Il bisolfuro di molibdeno è uno dei dicalcogenuri di metalli di transizione, semiconduttori con un metallo di transizione (in questo caso, molibdeno) interposto tra due strati sottili di un elemento calcogeno (in questo caso, zolfo). Per controllare le interazioni interfacciali, hanno progettato due tipi di punti quantici:uno con una composizione che favorisce il trasferimento di carica e l'altro con una composizione che favorisce il trasferimento di energia.

"Entrambi i tipi hanno seleniuro di cadmio al loro interno, ma uno dei nuclei è circondato da un guscio di solfuro di zinco, " ha spiegato il ricercatore associato CFN e primo autore Mingxing Li. "Il guscio è un distanziatore fisico che impedisce il trasferimento di carica. I punti quantici core-shell promuovono il trasferimento di energia, mentre i punti quantici del solo nucleo promuovono il trasferimento di carica."

Gli scienziati hanno utilizzato la camera bianca nel CFN Nanofabrication Facility per realizzare dispositivi con i nanomateriali ibridi. Per caratterizzare le prestazioni di questi dispositivi, hanno condotto studi di microscopia fotocorrente a scansione con un microscopio ottico costruito internamente utilizzando apparecchiature esistenti e il software di controllo dello strumento GXSM open source sviluppato dal fisico CFN e coautore Percy Zahl. Nella microscopia fotocorrente a scansione, un raggio laser viene scansionato attraverso il dispositivo mentre la fotocorrente viene misurata in diversi punti. Tutti questi punti vengono combinati per produrre una "mappa" di corrente elettrica. Poiché la carica e il trasferimento di energia hanno firme elettriche distinte, gli scienziati possono utilizzare questa tecnica per determinare quale processo è alla base della risposta della fotocorrente osservata.

Le mappe in questo studio hanno rivelato che la risposta alla fotocorrente era massima a bassa esposizione alla luce per il dispositivo ibrido solo nucleo (trasferimento di carica) e ad alta esposizione alla luce per il dispositivo ibrido nucleo-guscio (trasferimento di energia). Questi risultati suggeriscono che il trasferimento di carica è estremamente vantaggioso per il funzionamento del dispositivo come fotorilevatore, e il trasferimento di energia è preferito per le applicazioni fotovoltaiche.

"Distinguere i trasferimenti di energia e di carica esclusivamente mediante tecniche ottiche, come la microscopia di imaging a vita in fotoluminescenza, è impegnativo perché entrambi i processi riducono la durata della luminescenza a livelli simili, Chang-Yong Nam, scienziato dei materiali del CFN e autore corrispondente.

"Al CFN, conduciamo esperimenti per studiare come funzionano i nanomateriali in condizioni operative reali, " disse Cotlet. "In questo caso, abbiamo unito le competenze ottiche del Soft e Bio Nanomaterials Group, competenza nella fabbricazione di dispositivi e nella caratterizzazione elettrica dell'Electronic Nanomaterials Group, e le competenze software dell'Interface Science and Catalysis Group per sviluppare una capacità presso il CFN che consentirà agli scienziati di studiare i processi optoelettronici in una varietà di materiali 2-D. La nuova struttura di microscopia fotocorrente a scansione è ora aperta agli utenti CFN, e speriamo che questa capacità attiri più utenti alle strutture di fabbricazione e caratterizzazione CFN per studiare e migliorare le prestazioni dei dispositivi optoelettronici".