Un nuovo approccio allo sviluppo di materiali semiconduttori su scala minuscola potrebbe contribuire a potenziare le applicazioni che si basano sulla conversione della luce in energia. Un gruppo di ricerca guidato da Los Alamos ha incorporato droganti magnetici in punti quantici colloidali appositamente progettati - cristalli semiconduttori di dimensioni nanometriche - ed è stato in grado di ottenere effetti che potrebbero alimentare la tecnologia delle celle solari, i fotorilevatori e le applicazioni che dipendono dalla luce per guidare le reazioni chimiche. /P>
"Nei punti quantici costituiti da un nucleo di seleniuro di piombo e un guscio di seleniuro di cadmio, gli ioni manganese agiscono come minuscoli magneti i cui spin magnetici interagiscono fortemente sia con il nucleo che con il guscio del punto quantico", ha affermato Victor Klimov, leader dei Los Alamos. team di nanotecnologie e ricercatore principale del progetto. "Nel corso di queste interazioni, l'energia può essere trasferita da e verso lo ione manganese invertendo il suo spin, un processo comunemente chiamato scambio di spin."
Nella moltiplicazione dei portatori a scambio di spin, un singolo fotone assorbito genera non una ma due coppie elettrone-lacuna, note anche come eccitoni, che si verificano come risultato del rilassamento spin-flip di uno ione manganese eccitato.
A causa della velocità estremamente elevata delle interazioni di scambio di spin, i punti quantici drogati magneticamente mostrano un miglioramento di tre volte nella resa della moltiplicazione dei portatori rispetto ai punti quantici non drogati strutturati in modo simile. È importante sottolineare che il miglioramento è particolarmente ampio nella gamma delle energie dei fotoni all'interno dello spettro solare, portando a possibili applicazioni della tecnologia di fotoconversione.
Normalmente un fotone assorbito da un semiconduttore genera un elettrone nella banda di conduzione e uno spazio vuoto nella banda di valenza noto come "buca". Questo processo è alla base del funzionamento di fotodiodi, sensori di immagine e celle solari in cui i portatori di carica generati vengono estratti come fotocorrente. Gli elettroni e le lacune fotogenerati possono essere utili anche in chimica dove possono facilitare le cosiddette reazioni redox che comportano il trasferimento di elettroni da un'entità all'altra.
Tutti i tipi di schemi di fotoconversione trarrebbero vantaggio dalla moltiplicazione dei portatori, un processo innescato da un fotone ad alta energia che genera un portatore “caldo” con una grande energia cinetica. Questa energia poi si dissipa in una collisione con un elettrone della banda di valenza eccitandolo nella banda di conduzione. Di conseguenza, una nuova coppia elettrone-lacuna viene aggiunta alla coppia originale creata dal fotone assorbito.
A causa delle perdite di energia concorrenti dovute alle interazioni con le vibrazioni reticolari (solitamente chiamate fononi), la moltiplicazione dei portatori è inefficiente nei solidi sfusi. Tuttavia, come i ricercatori di Los Alamos hanno dimostrato per la prima volta nel 2004, questo effetto è stato potenziato nei punti quantici colloidali sintetizzati chimicamente. La dimensione molto piccola dei punti quantici colloidali aumenta la frequenza delle collisioni elettrone-elettrone e quindi facilita la moltiplicazione dei portatori.
Tuttavia, anche nei punti quantici, l’efficienza della moltiplicazione dei portatori non è sufficientemente elevata da avere un effetto apprezzabile sulle prestazioni degli schemi pratici di fotoconversione. Come nel caso dei cristalli sfusi, la limitazione principale sono le perdite di energia dovute alla rapida emissione di fononi che portano al riscaldamento "non produttivo" di un reticolo cristallino.
I droganti al manganese aiutano ad affrontare i problemi dell'emissione rapida di fononi. Basandosi su ricerche precedenti che avevano dimostrato tempi inferiori al picosecondo delle interazioni di scambio di spin, che sono più veloci dell'emissione di fononi, i ricercatori si sono resi conto che l'utilizzo di queste interazioni avrebbe aumentato l'efficienza della moltiplicazione dei portatori.
"Per attuare la moltiplicazione dei portatori con scambio di spin, sono necessari punti quantici adeguatamente progettati", ha affermato Clement Livache, ricercatore post-dottorato ed esperto di spettroscopia del team di nanotecnologie. "Il bandgap di questi punti deve essere inferiore alla metà dell'energia della transizione spin-flip del manganese e, inoltre, la struttura di spin dei punti quantici dovrebbe corrispondere a quella dello ione manganese eccitato."
"Le condizioni energetiche possono essere soddisfatte con punti quantici drogati con manganese contenenti un nucleo di seleniuro di piombo e un guscio di seleniuro di cadmio", ha affermato Hin Jo, chimico capo del progetto. "In queste strutture, la moltiplicazione dei portatori avviene attraverso due fasi di scambio di spin. Innanzitutto, l'energia della coppia elettrone-lacuna, generata da un fotone assorbito nel guscio di cadmio-seleniuro, viene trasferita allo ione manganese. Quindi, lo ione manganese subisce il rilassamento spin-flip tornando allo stato non eccitato creando due eccitoni nel nucleo di seleniuro di piombo."
La moltiplicazione dei portatori con scambio di spin può essere particolarmente utile nelle reazioni multi-elettrone/lacuna che richiedono più eventi di riduzione e ossidazione. Uno dei colli di bottiglia in questo caso è il tempo di attesa tra le fasi sequenziali di riduzione e ossidazione. La moltiplicazione dei portatori elimina questo collo di bottiglia producendo coppie di portatori di carica (due elettroni e due lacune) co-localizzati nei domini temporali e spaziali.
La ricerca è pubblicata sulla rivista Nature Materials .
Ulteriori informazioni: Ho Jin et al, Moltiplicazione dei portatori di scambio di spin in punti quantici colloidali drogati con manganese, Materiali naturali (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01598-x
Fornito dal Los Alamos National Laboratory
