В двух только что опубликованных статьях ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, Университета Стоуни-Брук и Университета Небраски описывают один из таких подходов, который сочетает в себе превосходные светособирающие свойства квантовых точек с настраиваемой электропроводностью слоистой структуры. полупроводник дисульфид олова. Гибридный материал продемонстрировал улучшенные светособирающие свойства за счет поглощения света квантовыми точками и передачи их энергии дисульфиду олова как в лабораторных испытаниях, так и при включении в электронные устройства. Исследования открывают путь для использования этих материалов в оптоэлектронных приложениях, таких как энергоемкие фотоэлектрические элементы, световые датчики и светодиоды (светодиоды).
По словам Мирчи Котлета, физического химика, который руководил этой работой в Центре функциональных наноматериалов Брукхейвенской лаборатории (CFN), учреждении Министерства энергетики США, «Двумерные дихалькогениды металлов, такие как дисульфид олова, обладают некоторыми многообещающими свойствами для преобразования солнечной энергии и фотодетекторов. приложений, включая высокое соотношение сторон поверхности к объему. Но ни один полупроводниковый материал не имеет всего этого. Эти материалы очень тонкие и плохо поглощают свет. Поэтому мы пытались смешать их с другими наноматериалами, такими как светопоглощающие квантовые точки, чтобы улучшить свои характеристики за счет передачи энергии ».
В одной статье, только что опубликованной в журнале ACS Nano, описывается фундаментальное исследование гибридного материала квантовой точки / дисульфида олова. В работе анализируется, как свет возбуждает квантовые точки (состоящие из ядра из селенида кадмия, окруженного оболочкой из сульфида цинка), которые затем передают поглощенную энергию слоям расположенного поблизости дисульфида олова.
«Мы придумали интересный подход, позволяющий отличить перенос энергии от переноса заряда, два общих типа взаимодействий, которым способствует свет в таких гибридах», — сказал Прахлад Раут, аспирант из Университета Стоуни-Брук, работающий с Котлетом и соавтор книги бумага ACS Nano. «Мы делаем это с помощью спектроскопии отдельных нанокристаллов, чтобы посмотреть, как отдельные квантовые точки мигают при взаимодействии с пластинчатым дисульфидом олова. Этот простой метод позволяет оценить, взаимодействуют ли компоненты в таких полупроводниковых гибридах посредством энергии или переноса заряда».Исследователи обнаружили, что скорость безызлучательной передачи энергии от отдельных квантовых точек к дисульфиду олова увеличивается с увеличением количества слоев дисульфида олова.
Но результатов лабораторных испытаний недостаточно, чтобы доказать достоинства потенциальных новых материалов. Поэтому ученые включили гибридный материал в электронное устройство, фотополевой транзистор, тип фотонного детектора, обычно используемый для светочувствительных приложений.
Как описано в статье, опубликованной 24 марта в журнале Applied Physics Letters, гибридный материал значительно улучшил характеристики транзисторов с фотополевым эффектом, в результате чего реакция фототока (преобразование света в электрический ток) была на 500 процентов лучше, чем у транзисторов. изготовлен только из материала дисульфида олова.«Этот вид передачи энергии — ключевой процесс, который обеспечивает фотосинтез в природе», — сказал Чанг-Йонг Нам, материаловед из Центра функциональных наноматериалов и соавтор статьи APL. «Исследователи пытались подражать этому принципу в светособирающих электрических устройствах, но это было трудным, особенно для новых систем материалов, таких как дисульфид олова, который мы изучали. Наше устройство демонстрирует преимущества в производительности, достигаемые за счет использования как процессов передачи энергии, так и нового низкого давления. -мерные материалы ".
Котле заключает: «Идея« легирования »двумерных слоистых материалов квантовыми точками для улучшения их светопоглощающих свойств дает надежду на создание более совершенных солнечных элементов и фотодетекторов».Бывшие сотрудники Brookhaven Lab Хуэйдун Занг, Хуанг Юань, Эли Саттер и Питер Саттер, а также Цзя-Шианг Ван, аспирант Университета Стоуни-Брук, работавший с Котлетом, также внесли свой вклад в эту работу.
Исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США.