Forskare från Hebrew University of Jerusalem, Stony Brook University, och US Department of Energys (DOE) Brookhaven National Laboratory har upptäckt nya effekter av en viktig metod för att modulera halvledare. Metoden, som fungerar genom att skapa öppna ytor eller "vakanser" i ett materials struktur, gör det möjligt för forskare att ställa in de elektroniska egenskaperna hos halvledarnanokristaller (SCNC) – halvledarpartiklar som är mindre än 100 nanometer. Detta fynd kommer att främja utvecklingen av ny teknik som smarta fönster, som kan ändra ogenomskinlighet på begäran.

Forskare använder en teknik som kallas "kemisk dopning" för att kontrollera de elektroniska egenskaperna hos halvledare. I denna process, kemiska föroreningar - atomer från olika material - läggs till en halvledare för att ändra dess elektriska ledningsförmåga. Även om det är möjligt att dopa SCNC, det är mycket svårt på grund av deras lilla storlek. Mängden föroreningar som tillsätts under kemisk dopning är så liten att för att dopa en nanokristall ordentligt, inte mer än ett fåtal atomer kan läggas till kristallen. Nanokristaller tenderar också att driva ut orenheter, ytterligare komplicera dopningsprocessen.

Att försöka kontrollera de elektroniska egenskaperna hos SCNCs lättare, forskare studerade en teknik som kallas vakansbildning. I denna metod, föroreningar tillsätts inte till halvledaren; istället, vakanser i dess struktur bildas av oxidations-reduktion (redox) reaktioner, en typ av kemisk reaktion där elektroner överförs mellan två material. Under denna överföring, en typ av dopning förekommer som saknade elektroner, kallas hål, bli fri att röra sig genom hela kristallstrukturen, väsentligt förändra den elektriska ledningsförmågan hos SCNC.

"Vi har också identifierat storlekseffekter i effektiviteten av vakansbildningsdopningsreaktionen, sa Uri Banin, en nanoteknolog från Hebrew University of Jerusalem. "Vakansbildning är faktiskt mer effektiv i större SCNC."

I den här studien, forskarna undersökte en redoxreaktion mellan nanokristaller av kopparsulfid (halvledaren) och jod, en kemikalie som introduceras för att påverka redoxreaktionen att inträffa.

"Om du minskar kopparsulfid, du kommer att dra ut koppar från nanokristallen, genererar vakanser och därför hål, sa Anatoly Frenkel, en kemist vid Brookhaven National Laboratory som har ett gemensamt möte med Stony Brook University, och den ledande Brookhaven-forskaren i denna studie.

Forskarna använde röntgenpulverdiffraktion (XPD) strållinjen vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - en DOE Office of Science User Facility - för att studera strukturen av kopparsulfid under redoxreaktionen. Genom att lysa ultraljusa röntgenstrålar på sina prover, forskarna kan bestämma mängden koppar som dras ut under redoxreaktionen.

Baserat på deras observationer vid NSLS-II, teamet bekräftade att tillsats av mer jod till systemet ledde till att mer koppar frigjordes och att fler vakanser bildades. Detta fastställde att vakansbildning är en användbar teknik för att ställa in de elektroniska egenskaperna hos SCNC:er.

Fortfarande, forskarna behövde ta reda på exakt vad som hände med koppar när den lämnade nanokristallen. Att förstå hur koppar beter sig efter redoxreaktionen är avgörande för att implementera denna teknik i smart fönsterteknik.

"Om koppar okontrollerat försvinner, vi kan inte dra tillbaka det in i systemet, " sa Frenkel. "Men anta att kopparn som tas ut ur kristallen svävar runt, redo att gå tillbaka. Genom att använda den omvända processen, vi kan sätta tillbaka det i systemet, och vi kan göra en enhet som skulle vara lätt att byta från ett tillstånd till ett annat. Till exempel, du skulle kunna ändra insynen i ett fönster på begäran, beroende på tid på dygnet eller ditt humör."

För att förstå vad som hände med koppar, forskarna använde XAFS-spektroskopi (röntgenabsorptionsfinstruktur) vid Advanced Photon Source (APS) – även en DOE Office of Science User Facility – vid Argonne National Laboratory. Denna teknik gör att forskarna kan studera de extremt små kopparkomplex som röntgendiffraktion inte kan upptäcka. XAFS avslöjade att koppar kombinerades med jod för att bilda kopparjod, ett positivt resultat som tydde på att koppar skulle kunna sättas tillbaka i nanokristallen och att forskarna har full kontroll över de elektroniska egenskaperna.