Modern elektronik som vi känner dem, från tv-apparater till datorer, beroende av ledande material som kan styra elektroniska egenskaper. När tekniken krymper ner till kommunikationsenheter i fickstorlek och mikrochips som får plats på huvudet av en stift, ledande material i nanostorlek är mycket efterfrågade.

Nu, Prof. Eran Rabani från Tel Aviv University's School of Chemistry vid Raymond och Beverly Sackler fakulteten för exakta vetenskaper, i samarbete med Profs. Uri Banin och Oded Millo vid Hebrew University, har kunnat demonstrera hur halvledarnanokristaller kan dopas för att ändra sina elektroniska egenskaper och användas som ledare. Detta öppnar en värld av möjligheter, säger Prof. Rabani, när det gäller tillämpningar av små elektroniska och elektrooptiska enheter, såsom dioder och fotodioder, elektriska komponenter som används i mobiltelefoner, digital kameror, och solpaneler.

Solpaneler är vanligtvis gjorda av en pn-korsning. När de absorberar ljus, förbindelsen separerar de negativt laddade elektronerna och de positivt laddade hålen, producerar en elektrisk ström, förklarar Prof. Rabani. "Med denna nya metod för att dopa nanokristaller för att göra dem till både p- och n-typ, vi hoppas att solpaneler inte bara kan göras mer effektiva, men billigare också " säger han. Denna forskning har nyligen publicerats i tidskriften Science.

Kristallklart framsteg

Enligt Prof. Rabani, strävan efter att elektriskt dopa nanokristaller har varit en uppförsbacke. Kristallerna själva har förmågan att självrena, vilket innebär att de renar sig från dopämnen. Också, han lägger till, några av de syntetiska metoderna för dopning var problematiska på nanoskala – kristallerna kunde inte motstå dopningstekniker som är tillämpliga på bulkhalvledare.

Nyckeln, förklarar Prof. Rabani, var att hitta en metod för att dopa nanokristallerna utan att "bleka" deras optiska egenskaper – och därför omintetgöra deras absorptionsförmåga. Om du kan dopa nanokristaller på detta sätt, han säger, det öppnar dörren till många praktiska tillämpningar baserade på nanokristallina material. "Vad du än kan göra med nanokristaller, du kan göra med dopade nanokristaller – och mer genom att kontrollera deras elektroniska egenskaper."

Dessa utmaningar kringgicks med användning av rumstemperaturdiffusionskontrollerade reaktioner. Kristallerna badades i en lösning som innehöll dopämnena, där långsam diffusion tillät föroreningar att leta sig in i nanokristallen.

Forskarna använde ett scanning tunneling microscope (STM), en enhet som avbildar ytor på atomnivå, för att avgöra framgången med deras dopingförfarande. Dessa mätningar visade hur Fermi-energin hos nanokristallerna förändrades vid dopning, en nyckelfunktion för att kontrollera elektroniska egenskaper hos elektroniska enheter. Resultaten, noterar Prof. Rabani, indikerar att nanokristallerna har dopats med båda dopämnena av n-typ, indikerar närvaron av överskott av elektroner i nanokristallerna, och p-typ, som bidrar med positivt laddade hål till halvledarna. Detta kommer att möjliggöra användning i elektronik som kräver en pn-övergång, som solpaneler, lysdioder, och mer.

Bredda nanokristallspektrumet

Prof. Rabani och hans forskarkollegor lyckades inte bara dopa nanokristaller utan att bleka deras optiska egenskaper, men de kunde också kontrollera de optiska egenskaperna, nämligen, färgomfånget som nanokristallerna producerar. En gång dopad, nanokristallpartiklarna kan ändra färg, blir mer röd eller blå. Prof. Rabani och hans kollegor kunde utveckla en teori för att förklara dessa observationer.

Prof. Rabani säger att denna teknik kan räcka långt. Doping halvledare, han förklarar, har varit avgörande för teknikutvecklingen. "Parallellt med detta, vi vet också att vi vill göra elektriska komponenter väldigt små. En stor del av framtidens elektronik eller optik kommer att baseras på dopning av nanopartiklar."