Till den långa listan av otroliga upptäckter – gravitation, penicillin, den nya världen – lägg till detta:Forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har upptäckt varför en lovande teknik för att göra kvantprickar och nanorods hittills har varit en besvikelse. Ännu bättre, de har också upptäckt hur man åtgärdar problemet.

Ett team av forskare ledda av kemisten Paul Alivisatos, chef för Berkeley Lab, och Prashant Jain, en kemist nu vid University of Illinois, har upptäckt varför nanokristaller gjorda av flera komponenter i lösning via utbyte av katjoner (positiva joner) har varit dåliga ljussändare. Problemet, de hittade, härrör från föroreningar i slutprodukten. Teamet visade också att dessa föroreningar kan avlägsnas genom värme.

"Genom att värma dessa nanokristaller till 100 grader Celsius, vi kunde ta bort föroreningarna och öka deras luminescens med 400 gånger inom 30 timmar, " säger Jain, medlem i Alivisatos forskargrupp när detta arbete gjordes. "När föroreningarna avlägsnades var de optoelektroniska egenskaperna hos nanokristaller gjorda genom katjonbyte jämförbara i kvalitet med prickar och nanorods som konventionellt syntetiseras."

säger Alivisatos, "Med våra nya rön, katjonbytestekniken blir verkligen en metod som kan användas i stor utsträckning för att göra nya nanokristaller av hög optoelektronisk kvalitet."

Jain är huvudförfattare och Alivisatos motsvarande författare till en artikel som beskriver detta arbete i tidskriften Angewandte Chemie med titeln "Höglysande nanokristaller från avlägsnande av föroreningsatomer som återstår från jonbytessyntes." Andra författare var Brandon Beberwyck, Lam-Kiu Fong och Mark Polking.

Kvantpunkter och nanorods är ljusemitterande halvledarnanokristaller som har ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive bioavbildning, solenergi och skärmteknik. Vanligtvis, dessa nanokristaller syntetiseras från kolloider - partiklar suspenderade i lösning. Som ett alternativ, Alivisatos och hans forskargrupp utvecklade en ny lösningsbaserad syntesteknik där nanokristaller omvandlas kemiskt genom att byta ut eller ersätta alla katjoner i kristallgittret med en annan typ av katjon. Denna katjonbytesteknik gör det möjligt att producera nya typer av kärna/skal nanokristaller som är otillgängliga genom konventionell syntes. Kärna/skal nanokristaller är heterostrukturer där en typ av halvledare är innesluten i en annan, till exempel, en kadmiumselenid (CdSe) kärna och ett kadmiumsulfid (CdS) skal.

"Samtidigt som de håller ett löfte om enkel och billig tillverkning av flerkomponents nanokristaller, katjonbytestekniken har gett kvantprickar och nanorods som fungerar dåligt i optiska och elektroniska enheter, " säger Alivisatos, en världsauktoritet för nanokristallsyntes som har ett gemensamt uppdrag med University of California (UC) Berkeley, där han är Larry och Diane Bocks professor i nanoteknik.

När Jain berättar historien, han var i färd med att kassera CdSe/CuS nanokristaller i lösning som var sex månader gamla när han av vana testade nanokristallerna under ultraviolett ljus. Till sin förvåning observerade han betydande luminescens. Efterföljande spektralmätningar och jämförelse av nya data med gamla visade att luminescensen hos nanokristallerna hade ökat med minst sju gånger.

"Det var en oavsiktlig upptäckt och väldigt spännande, " Jain säger, "men eftersom ingen vill vänta sex månader på att deras prover ska bli högkvalitativa bestämde jag mig för att värma nanokristallerna för att påskynda vilken process som än fick deras luminescens att öka."

Jain och teamet misstänkte och efterföljande studie bekräftade att föroreningar - ursprungliga katjoner som hamnar kvar i kristallgittret under utbytesprocessen - var boven.

"Även ett fåtal katjonföroreningar i en nanokristall räcker för att vara effektiva för att fånga användbara, energiska laddningsbärare, " säger Jain. "I de flesta kvantprickar eller nanorods, laddningsbärare är delokaliserade över hela nanokristallen, gör det lätt för dem att hitta orenheter, hur få det än är, inom nanokristallen. Genom att värma lösningen för att ta bort dessa föroreningar och stänga av denna föroreningsförmedlade fångst, vi ger laddningsbärarna tillräckligt med tid för att strålande kombineras och därigenom öka luminescensen."

Eftersom laddningsbärare också är avgörande för elektronisk transport, fotovoltaisk prestanda, och fotokatalytiska processer, Jain säger att avstängning av föroreningsmedierad infångning också bör öka dessa optoelektroniska egenskaper i nanokristaller som syntetiseras via katjonbytestekniken.