Forskare vid hebreiska universitetet i Jerusalem har uppnått ett genombrott inom området nanovetenskap genom att framgångsrikt förändra nanokristallegenskaper med föroreningsatomer - en process som kallas dopning - och därigenom öppnat vägen för tillverkning av förbättrade halvledarnanokristaller.

Halvledarnanokristaller består av tiotals till tusentals atomer och är 10, 000 gånger mindre än bredden på ett människohår. Dessa små partiklar har användningsområden inom en mängd områden, såsom halvledarbelysning, solceller och bioavbildning. En av de främsta potentiella tillämpningarna för dessa anmärkningsvärda material är i halvledarindustrin, där intensiv miniatyrisering har pågått under de senaste 50 åren och nu ligger inom nanometerområdet.

Dock, dessa halvledare är dåliga elektriska ledare, och för att använda dem i elektroniska kretsar, deras ledningsförmåga måste justeras genom tillsats av föroreningar. I denna process, främmande atomer, kallas föroreningar, införs i halvledaren, orsakar en förbättring av dess elektriska ledningsförmåga.

I dag, halvledarindustrin spenderar årligen miljarder dollar i ansträngningar att avsiktligt lägga till föroreningar i halvledarprodukter, vilket är ett stort steg i tillverkningen av många elektroniska produkter, inklusive datorchips, lysdioder och solceller.

På grund av dopningens betydelse för halvledarindustrin, forskare över hela världen har gjort ständiga försök att dopa nanokristaller för att uppnå en allt större miniatyrisering och förbättra produktionsmetoderna för elektroniska enheter. Tyvärr, dessa små kristaller är resistenta mot dopning, eftersom deras ringa storlek gör att föroreningarna drivs ut. Ett ytterligare problem är bristen på tillgängliga analytiska tekniker för att studera små mängder dopämnen i nanokristaller. På grund av denna begränsning, det mesta av forskningen inom detta område har fokuserat på att introducera magnetiska föroreningar, som kan analyseras lättare. Dock, de magnetiska föroreningarna förbättrar inte riktigt nanokristallens konduktivitet.

Prof. Uri Banin och hans doktorand, David Mocatta, vid Hebrew University Center for Nanoscience and Nanotechnology, har uppnått ett genombrott i sin utveckling av en enkel, kemisk reaktion vid rumstemperatur för att införa föroreningsatomer av metaller i halvledarnanokristallerna. De såg nya effekter som inte tidigare rapporterats. Dock, när forskarna försökte förklara resultaten, de fann att fysiken för dopade nanokristaller inte var särskilt väl förstått.

Bit för bit, i samarbete med Prof. Oded Millo från Hebrew University och med Guy Cohen och Prof. Eran Rabani från Tel Aviv University, de byggde upp en heltäckande bild av hur föroreningarna påverkar nanokristallernas egenskaper. Den initiala svårigheten att förklara denna process visade sig vara en fantastisk möjlighet, när de upptäckte att föroreningen påverkar nanokristallen på oväntade sätt, resulterar i ny och spännande fysik.

"Vi var tvungna att använda en kombination av många tekniker som tillsammans gör det uppenbart att vi lyckades dopa nanokristallerna. Det tog fem år men vi kom dit till slut, sa Mocatta.

Detta genombrott rapporterades nyligen i den prestigefyllda tidskriften Vetenskap . Det sätter scenen för utvecklingen av många potentiella applikationer med nanokristaller, allt från elektronik till optik, från avkänning till alternativa energilösningar. Dopade nanokristaller kan användas för att göra nya typer av nanolaser, solceller, sensorer och transistorer, uppfylla de höga kraven från halvledarindustrin.