Всего через год после того, как исследователи из области материаловедения Национального центра возобновляемой энергии (NREL) Мэттью Хауцингер и Сейдж Бауэрс встретились, чтобы обсудить малоизученные материалы в нанотехнологиях, их синтез перспективных квантовых точек фазы Цинтля привлекает внимание своим ярким фотолюминесцентным свечением, химической стабильностью и использованием распространённых на Земле компонентов.
«Недавно учёные провели переоценку материалов, разработанных 40–50 лет назад, но в значительной степени забытых, чтобы найти новых кандидатов из неорганических материалов, которые могут быть полезны для современной оптоэлектроники», — сказал Хауцингер. «Интерметаллические соединения, известные как материалы фазы Цинтля, в частности BaCd₂P₂, привлекли наше внимание благодаря оптимальной ширине запрещённой зоны, длительному времени жизни носителей заряда и заметной устойчивости к дефектам».
Признавая, что существующие методы подготовки материалов фазы Цинтля для оптоэлектроники непрактичны, учёные NREL были вдохновлены на проведение синтеза и характеристики коллоидных квантовых точек BaCd₂P₂ и демонстрации того, как это соединение может быть интегрировано в реальные приложения. Их результаты опубликованы в ACS Nano.
Квантовые точки — основа полупроводников следующего поколения
Квантовые точки являются строительными блоками для многих полупроводников нового поколения, которые одновременно поглощают свет и переносят электрический заряд. Эти крошечные кристаллы излучают яркое свечение, которое может осветить следующую волну достижений в оптоэлектронике, улучшая освещение на основе светодиодов, дисплеи, оптические волокна для телекоммуникаций, солнечные панели, устройства для биовизуализации и оптические датчики.
Уникально малая структура квантовых точек — всего несколько нанометров — позволяет настраивать BaCd₂P₂ и соседние составы для широкого спектра применений благодаря регулируемым оптическим и электронным свойствам, основанным на эффектах квантового ограничения, связанных с квантовыми точками.
«Стабилизация BaCd₂P₂ в виде квантовой точки помогает улучшить функциональность и ответить на важные вопросы о производительности этих материалов», — добавил Бауэрс. «Уже при первом синтезе фотолюминесценция BaCd₂P₂ светилась впечатляюще ярко, несмотря на относительно неоптимизированный рост и отсутствие специальной пассивирующей обработки, что указывает на многообещающее будущее этого материала».
Синтез квантовых точек BaCd₂P₂
Ключом к синтезу BaCd₂P₂ стала устойчивость соединения к дефектам, как это было предсказано теоретическими расчётами и подтверждено предварительными экспериментальными результатами на порошковых образцах в NREL.
«В классических полупроводниковых системах мы идём на многое, например, на пассивацию поверхности, чтобы поддерживать чистоту материалов, — объяснил Хауцингер. — Любая небольшая примесь может пагубно сказаться на оптоэлектронных характеристиках. Поскольку BaCd₂P₂ обладает свойствами, которые более устойчивы к дефектам, мы предположили, что с частицами будет проще манипулировать, превращая их в квантовые точки».
Эта гипотеза подтвердилась. Для создания квантовых точек BaCd₂P₂ команда использовала процесс, который включает быстрое введение предшественника фосфора в нагретую смесь, растворимую в лиганде, содержащую барий и кадмий. Регулируя температуру во время роста, можно контролировать размер наночастиц для конкретного поглощения света и цветового излучения.
Структурная характеристика квантовых точек BaCd₂P₂
Чтобы структурно охарактеризовать квантовые точки BaCd₂P₂ и подтвердить, что они соответствуют кристаллической структуре и составу более крупной твёрдой версии материала, команда использовала методы характеризации материалов, такие как дифракция электронов в выбранной области, дифракция рентгеновских лучей, рамановская спектроскопия и рентгеновская флуоресценция.
Устойчивость, продемонстрированная BaCd₂P₂, дала ещё одно неожиданное преимущество, когда полученные коллоидные квантовые точки излучали яркое свечение под чёрным светом без сложных химических обработок, обычно необходимых для оптимизации фотолюминесценции. Расчётный квантовый выход фотолюминесценции — мера того, насколько эффективно материал излучает свет после поглощения энергии — в 21% для раствора BaCd₂P₂ является начальным результатом, хорошо соответствующим промышленным стандартам обработанных материалов.
Вкратце, раствор коллоидных квантовых точек BaCd₂P₂ сразу же продемонстрировал впечатляющие фотолюминесцентные характеристики, ознаменовав скачок вперёд как в простоте, так и в эффективности. Следующей задачей было показать, как материал может быть интегрирован в реальные приложения.
Применение в реальных условиях
Чтобы исследовать это, команда нанесла раствор BaCd₂P₂ на тонкие плёнки методом центрифугирования, аналогично тем, которые используются в оптоэлектронных устройствах. Они использовали сканирующую электронную микроскопию и времяразрешённую микроволновую проводимость для характеристики этих плёнок, обнаружив гладкую поверхность без отверстий. Демонстрация этих плёнок позволит им расширить эту работу и внедрить BaCd₂P₂ в оптоэлектронные платформы.
«Создавая эти квантовые точки, мы создали основу для упрощения процесса синтеза без ущерба для настраиваемости или контроля свойств материала», — сказал Бауэрс. «Плёнки, созданные с использованием квантовых точек BaCd₂P₂, могут быть проще и дешевле в производстве, чем существующие технологии, при этом предлагая отличную, высокоэффективную фотолюминесценцию».
Квантовые точки BaCd₂P₂ не просто ярко светятся; они также основаны на распространённых материалах. «В отличие от конкурирующих технологий, которые полагаются на критические минералы, ингредиенты, используемые при синтезе квантовых точек BaCd₂P₂, в изобилии присутствуют на Земле и уже производятся внутри страны», — сказал Хауцингер. «Такой подход может облегчить ограничения цепочки поставок за счёт использования минералов, которые широко доступны в Соединённых Штатах».
Кроме того, команда экспериментировала с частичной заменой кадмия цинком в процессе синтеза, чтобы снизить токсичность материала, сохранив при этом впечатляющие фотолюминесцентные свойства.
«Это всё совершенно новое, — сказал Бауэрс. — Мы рады продолжать исследовать эти материалы, чтобы увидеть, как незначительные изменения в их химии могут выявить дополнительные полезные свойства и новую физику».
Какими бы ни были перспективы для BaCd₂P₂, это фундаментальное исследование, вдохновлённое использованием, открывает дверь к новому классу материалов для квантовых точек, основанных на фазах Цинтля, освещая путь к новым возможностям для оптоэлектроники.
Предоставлено: Национальный центр возобновляемой энергии (NREL)