I ricercatori dell'ETH hanno fornito la prima spiegazione teorica su come viene condotta la corrente elettrica nei semiconduttori fatti di nanocristalli. Nel futuro, questo potrebbe portare allo sviluppo di nuovi sensori, laser o LED per schermi TV.

Alcuni anni fa, siamo stati introdotti agli schermi TV con tecnologia QLED che produce colori brillanti. La "Q" qui sta per "punto quantico". I punti quantici sono cristalli di un materiale semiconduttore di soli pochi nanometri che consistono in un paio di migliaia di atomi. Quei nanocristalli sono così piccoli che gli elettroni in essi contenuti possono assumere solo determinati livelli di energia meccanica quantistica ben definiti. Come conseguenza, quando i punti quantici sono illuminati dalla retroilluminazione di un televisore, la luce di un particolare colore viene emessa dai salti quantici tra quei livelli.

Nei televisori QLED di nuova generazione, la speranza è di usare l'elettricità per far brillare i punti quantici da soli invece di aver bisogno di una retroilluminazione. Fino ad ora, però, mancava la comprensione teorica di come la corrente elettrica si muove attraverso un film sottile di nanocristalli. Un team di ricercatori del Dipartimento di tecnologia dell'informazione e ingegneria elettrica dell'ETH di Zurigo guidato da Vanessa Wood ha ora colmato questa lacuna, come riportano sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura .

Materasso a molle vs piano d'appoggio

La teoria di come si muove la corrente elettrica nei semiconduttori che non sono nanodimensionati è nota da più di novant'anni ed esistono strumenti software per modellare il loro comportamento. L'industria può controllare le proprietà elettroniche dei semiconduttori aggiungendo deliberatamente atomi di impurità (doping), che modifica il numero di vettori gratuiti (elettroni). Al contrario, i semiconduttori costituiti da molti piccoli punti quantici di nanocristalli non possono essere trattati con questi metodi.

Nei nanocristalli, l'aggiunta di atomi di impurità non porta necessariamente a portatori di carica liberi. Per di più, gli addebiti gratuiti non si comportano allo stesso modo. "I portatori di carica in un normale semiconduttore si muovono come palle da bowling che rotolano su un piano liscio di un tavolo, considerando che in un materiale nanocristallino si comportano come palle da bowling su un morbido materasso, affondandolo e deformandolo, "Il legno illustra il problema.

Modellazione esigente

Per la modellizzazione teorica ciò significa che gli atomi nel reticolo cristallino del semiconduttore nanocristallino non possono essere semplicemente considerati punti stazionari, che è ciò che di solito si fa con i normali semiconduttori. "Piuttosto, abbiamo dovuto descrivere matematicamente ognuno delle diverse centinaia di migliaia di atomi nei molti nanocristalli del materiale, e come ogni atomo interagisce con i portatori di carica, " spiega Nuri Yazdani, che ha lavorato nel gruppo di ricerca di Wood come Ph.D. studente ed è il primo autore dello studio recentemente pubblicato.

Utilizzando il Centro svizzero di calcolo CSCS a Lugano, Yazdani eseguiva un codice complesso in cui venivano presi in considerazione tutti i dettagli del problema, il movimento degli elettroni e degli atomi e le interazioni tra di essi. "In particolare, volevamo capire come si muovono i portatori di carica tra i singoli nanocristalli e perché rimangono "intrappolati" e non possono andare avanti, " dice Yazdani.

I risultati di quelle simulazioni al computer sono stati estremamente rivelatori. Si è scoperto che il fattore determinante nel modo in cui un materiale composto da molti nanocristalli conduce la corrente elettrica sono le più piccole deformazioni dei cristalli, solo pochi millesimi di nanometro, che portano ad un enorme cambiamento di energia elettrostatica. Quando la carica deforma il materiale circostante, questo è noto come polarone, e le simulazioni di Yazdani mostrano che la corrente scorre attraverso i polaroni saltando da un nanocristallo all'altro.

Un modello spiega tutto

Il modello spiega come le proprietà elettroniche dei semiconduttori a base di nanocristalli vengono modificate variando la dimensione dei nanocristalli e il modo in cui si impacchettano nel film. Per testare le previsioni delle loro simulazioni, il team ha prodotto film sottili di nanocristalli in laboratorio e ha misurato la risposta elettrica per diverse tensioni e temperature applicate. In quegli esperimenti, hanno creato elettroni liberi a un'estremità del materiale usando un breve impulso laser e poi osservati quando sono arrivati ​​all'altra estremità. Il risultato:per ciascuna delle diverse centinaia di test diversi, la simulazione al computer ha previsto perfettamente le proprietà elettriche.

"Dopo otto anni di intenso lavoro, ora abbiamo creato un modello che può finalmente spiegare quantitativamente non solo i nostri esperimenti, ma anche quelli di molti altri gruppi di ricerca negli ultimi anni, ", afferma Wood. "Un tale modello consentirà in futuro a ricercatori e ingegneri di calcolare le proprietà di un semiconduttore nanocristallino anche prima che venga prodotto". Ciò dovrebbe consentire di ottimizzare tali materiali per applicazioni particolari. "Finora, questo doveva essere fatto per tentativi ed errori, "Il legno aggiunge.

Utilizzando i risultati dei ricercatori dell'ETH, in futuro potrebbero essere sviluppati semiconduttori utili da materiali nanocristallini per varie applicazioni nei sensori, laser o LED, anche per schermi TV. Come la composizione, dimensione, e la disposizione dei nanocristalli può essere controllata durante la loro produzione, tali materiali promettono una varietà molto più ampia di proprietà elettriche rispetto ai semiconduttori tradizionali.