Mycket liten, lättproducerade partiklar, kallas kvantprickar, kan snart ta plats för dyrare enkristalliga halvledare inom avancerad elektronik som finns i solpaneler, kamerasensorer och medicinska bildverktyg. Även om kvantprickar har börjat bryta sig in på konsumentmarknaden-i form av kvantpunkts-TV-har de hämmats av långvarig osäkerhet om deras kvalitet. Nu, en ny mätteknik som utvecklats av forskare vid Stanford University kan äntligen lösa dessa tvivel.

"Traditionella halvledare är enstaka kristaller, odlas i vakuum under speciella förhållanden. Dessa kan vi göra i stort antal, i kolv, i ett labb och vi har visat att de är lika bra som de bästa singelkristallerna, "sa David Hanifi, doktorand i kemi vid Stanford och medledande författare till tidningen skriven om detta arbete, publicerad 15 mars i Vetenskap .

Forskarna fokuserade på hur effektivt kvantprickar återsänder ljuset de absorberar, ett tydligt mått på halvledarkvalitet. Medan tidigare försök att räkna ut quantum dot -effektivitet antydde hög prestanda, Detta är den första mätmetoden som med säkerhet visar att de kan konkurrera med enstaka kristaller.

Detta arbete är resultatet av ett samarbete mellan Alberto Salleos labb, professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford, och Paul Alivisatos, Samsung Distinguished Professor of Nanoscience and Nanotechnology vid University of California, Berkeley, som är en pionjär inom kvantpunktforskning och seniorförfattare till tidningen. Alivisatos betonade hur mättekniken kan leda till utveckling av ny teknik och material som kräver kunskap om våra halvledares effektivitet i en noggrann grad.

"Dessa material är så effektiva att befintliga mätningar inte kunde kvantifiera hur bra de är. Detta är ett stort steg framåt, " sa Alivisatos. "Det kan en dag möjliggöra applikationer som kräver material med luminescenseffektivitet långt över 99 procent, de flesta har inte uppfunnits än. "

Mellan 99 och 100

Att kunna avstå från behovet av dyr tillverkningsutrustning är inte den enda fördelen med kvantprickar. Även före detta arbete, det fanns tecken på att kvantprickar kunde närma sig eller överträffa prestanda för några av de bästa kristallerna. De är också mycket anpassningsbara. Genom att ändra storlek ändras ljusets våglängd, en användbar funktion för färgbaserade applikationer som att märka biologiska prover, TV eller datorskärmar.

Trots dessa positiva egenskaper, den lilla storleken på kvantprickar betyder att det kan ta miljarder av dem för att göra jobbet som en stor, perfekt singelkristall. Att göra så många av dessa kvantprickar innebär fler chanser för något att växa felaktigt, fler chanser för en defekt som kan hämma prestandan. Tekniker som mäter kvaliteten på andra halvledare som tidigare föreslog kvantprickar avger över 99 procent av ljuset de absorberar men det var inte tillräckligt för att svara på frågor om deras potential för defekter. Att göra detta, forskarna behövde en mätteknik som är bättre lämpad för att exakt utvärdera dessa partiklar.

"Vi vill mäta utsläppseffektiviteter inom området 99,9 till 99,999 procent eftersom, om halvledare kan återutsända varje ljus som de absorberar som ljus du kan göra riktigt rolig vetenskap och göra enheter som inte har funnits tidigare, sa Hanifi.

Forskarnas teknik involverade att kontrollera om överskottsvärme produceras av energiserade kvantpunkter, snarare än att bara bedöma ljusutsläpp eftersom överskottsvärme är en signatur på ineffektiva utsläpp. Denna teknik, vanligt förekommande för andra material, hade aldrig tillämpats för att mäta kvantprickar på detta sätt och det var 100 gånger mer exakt än vad andra har använt tidigare. De fann att grupper av kvantprickar avgav på ett tillförlitligt sätt cirka 99,6 procent av ljuset de absorberade (med ett potentiellt fel på 0,2 procent åt båda hållen), vilket är jämförbart med de bästa enkristallutsläppen.

"Det var förvånande att en film med många potentiella defekter är lika bra som den mest perfekta halvledaren du kan göra, sa Salleo, som är medförfattare till tidningen.

I motsats till farhågor, resultaten tyder på att kvantprickarna är påfallande defekt-toleranta. Mättekniken är också den första som bestämt fastställer hur olika kvantpunktstrukturer jämför sig med varandra - kvantprickar med exakt åtta atomlager av ett speciellt beläggningsmaterial som avger ljus snabbast, en indikator på överlägsen kvalitet. Formen på dessa prickar bör vägleda designen för nya ljusemitterande material, sa Alivisatos.

Helt ny teknik

Denna forskning är en del av en samling projekt inom en institution för energifinansierade Energy Frontier Research Center, kallas Photonics at Thermodynamic Limits. Under ledning av Jennifer Dionne, docent i materialvetenskap och teknik vid Stanford, centrumets mål är att skapa optiska material - material som påverkar ljusflödet - med högsta möjliga effektivitet.

Ett nästa steg i detta projekt är att utveckla ännu mer exakta mätningar. Om forskarna kan fastställa att dessa material når effektivitet på eller över 99,999 procent, som öppnar upp möjligheten för teknologier som vi aldrig sett förut. Dessa kan inkludera nya glödande färgämnen för att förbättra vår förmåga att titta på biologi på atomär skala, självlysande kylning och självlysande solkoncentratorer, som gör att en relativt liten uppsättning solceller kan ta in energi från ett stort område av solstrålning. Allt detta sagt, de mätningar de redan har fastställt är en egen milstolpe, kommer sannolikt att uppmuntra till en mer omedelbar ökning av kvantpunktsforskning och applikationer.

"Människor som arbetar med dessa quantum dot -material har tänkt i mer än ett decennium att prickar kan vara lika effektiva som enkristallsmaterial, "sa Hanifi, "och nu har vi äntligen bevis."