Att producera ren energi och minska strömförbrukningen för belysning och personliga enheter är viktiga utmaningar för att minska den moderna civilisationens inverkan på miljön. Som ett resultat, den ökande efterfrågan på solceller och ljusemitterande enheter driver forskare att utforska nya halvledarmaterial och förbättra deras prestanda, samtidigt som produktionskostnaderna sänks.

Halvledarnanokristaller (material med storlekar ca 10 nanometer, vilket är cirka 10, 000 gånger tunnare än vårt hår) lovar mycket för dessa applikationer:de är billiga att producera, kan enkelt integreras i dessa enheter och har exceptionellt förbättrade egenskaper vid interaktion med ljus, jämfört med deras bulkmotsvarigheter. Denna starka koppling med ljus ger dem en distinkt fördel jämfört med konventionella halvledare, vilket banar väg för högeffektiva enheter.

Tyvärr, denna kant har en kostnad:när storleken på en halvledare reduceras, elektroner kan inte längre färdas fritt över materialet som begränsas av deras fysiska dimensioner. Vidare, deras mycket större ytor kräver användning av passiveringsstrategier (t.ex. med organiska ligander) för att minska fällorna som oavsiktligt kan påverka laddningstransporten ytterligare. Därför, praktiska utbredda tillämpningar av nanokristaller är begränsade, och deras störande potential kan inte utnyttjas.

I en ny artikel publicerad i Ljus:Vetenskap och applikationer , ett team av forskare, ledd av professor Tze Chien Sum från Nanyang Technological University (NTU), Singapore, har upptäckt att nanokristaller gjorda av halogenidperovskiter har extraordinära egenskaper för energitransport, som ersätter transport av avgifter, och skulle kunna öppna nya platser för att implementera dessa material i högeffektiva enheter.

Prof. Sum och hans team har redan banat väg för studien av laddningstransport i dessa material. Under 2013 rapporterade teamet oöverträffade elektrontransportegenskaper för bulkhalidperovskiter och denna upptäckt underbyggde framgångarna för halidperovskiter under de följande åren.

I det här arbetet, Prof. Sums team visade att energi överraskande nog kan transporteras mycket effektivt i filmer gjorda av nanokristaller. Teamet använde ett mikroskopiskt bildsystem för att "visualisera" energin som färdades med hjälp av deras starka ljusemission som en sond, som visas i figur 1.

Medan negativa och positiva laddningar (elektroner och hål, kan inte ensam resa inuti detta nanostrukturerade material, de kan slå sig samman och bilda så kallade "excitoner" för att resa tillsammans, som visas i figur 2. Energirörligheten i dessa material överstiger den för andra konventionella nanostrukturer, såsom kadmiumselenid (CdSe) kvantprickar med mer än 1 storleksordning. Dessutom, energi kan till och med färdas längre i dessa material jämfört med vad laddningar kan göra i bulkhalidperovskiter.

"Det här resultatet är oöverträffat. När du minskar storleken på ett material, vanligtvis innebär det att du minskar det maximala avståndet som laddningarna kan resa inuti den. Dock, i halogenidperovskiter, när du reducerar deras dimension till kvantstorlek, dessa avgifter lyckas ordna sig i excitoner och hitta ett annat sätt att resa. Deras räckvidd är nu till och med för längre sträckor än deras ursprungliga räckvidd innan du minskar deras storlekar, " sa Dr David Giovanni och Dr Marcello Righetto, två av verkets huvudförfattare som delade lika bidrag.

Här, två energitransportmekanismer identifierades:excitonerna "hoppar" mycket effektivt mellan olika nanokristaller, och deras transport assisteras av emissionsljus som fångas i filmen och därför återabsorberas. För första gången, forskare tillhandahållit en metod för att skilja dessa två bidrag.

Även om nästa utmaning att direkt implementera dessa extraordinära egenskaper för faktiska enheter fortfarande kvarstår (dvs. excitoner måste delas i positiva och negativa laddningar för att skapa en detekterbar ström), denna upptäckt av långväga energitransporter och deras mekanismer ger nya sätt att utnyttja nanostrukturer till enheter.