(Phys.org)-Pricken över i:et för halvledarnanokrystaller som ger en icke-dämpad optoelektronisk effekt kan existera som ett tennskikt som segregerar nära ytan.

En metod för att ändra de elektriska egenskaperna hos en halvledare är genom att introducera föroreningar som kallas dopämnen. Ett team ledd av Delia Milliron, en kemist vid Berkeley Labs Molecular Foundry, ett nationellt nanovetenskapscenter i USA:s energidepartement (DOE), har visat att lika viktigt som mängden dopämne är hur dopmedlet fördelas på ytan och genom hela materialet. Detta öppnar dörren för att konstruera fördelningen av dopmedlet för att kontrollera vilken våglängd materialet kommer att absorbera och mer allmänt hur ljus interagerar med nanokristallerna.

"Dopning i halvledarnanokristaller är fortfarande en konst under utveckling, ", säger Milliron. "Först under de senaste åren har människor börjat observera intressanta optiska egenskaper som ett resultat av att introducera dopämnen i dessa material, men hur dopämnena är fördelade inom nanokristallerna är i stort sett okänt. Vilka platser de upptar och var de är placerade i hela materialet påverkar i hög grad de optiska egenskaperna."

Millirons senaste anspråk på berömmelse, en "smart window"-teknik som inte bara blockerar naturlig infraröd (IR) strålning samtidigt som den tillåter passage av synligt ljus genom transparent belagt glas, men tillåter också oberoende kontroll över båda typerna av strålning, förlitar sig på en dopad halvledare som kallas indiumtennoxid (ITO).

ITO, där tenn (dopmedlet) har ersatt en del av indiumjonerna i indiumoxid (halvledaren), har blivit det prototypiska dopade halvledarnanokristallmaterialet. Den används i alla typer av elektroniska enheter, inklusive pekskärmar, smarta fönster och solceller.

"Det spännande med denna klass av material är att dopämnena kan introducera fria elektroner som bildas med hög densitet i materialet, vilket gör dem ledande och därmed användbara som transparenta ledare, "säger Milliron

Men samma elektroner gör att materialen är plasmoniska i IR-delen av spektrumet. Detta innebär att ljus med IR-våglängd kan vara resonant med fria elektroner i materialet:de oscillerande elektriska fälten i ljuset resonerar och kan orsaka absorption.

"[Dessa material] kan absorbera IR-ljus på ett sätt som går att justera genom att justera dopningen, samtidigt som den är transparent för naturligt synligt ljus. En justerbar mängd absorption av IR -ljus gör att du kan styra uppvärmningen. För oss, det är körapplikationen, " förklarar Milliron.

Tills nu, justeringar har gjorts genom att ändra mängden dopmedel i halvledaren. Förbryllad över studier där optiska egenskaper inte uppförde sig som förväntat, Milliron och University of California (UC) Berkeley PhD-kandidat Sebastien Lounis tittade på röntgenfotoelektronspektroskopi för att undersöka elektroner nära ytan av ITO-proverna och undersöka fördelningen av element i proverna vid Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL).

SSRL använder en avstämbar stråle av fotoner för att excitera elektroner inuti materialet. Om elektronerna är tillräckligt nära ytan, de kan ibland sändas ut och samlas upp av en detektor. Dessa elektroner ger information om materialets egenskaper, inklusive förhållandet mellan mängderna av olika grundämnen som indium och tenn i ITO. Att öka energin hos röntgenstrålen visar hur sammansättningen av tenn och indium förändras när man rör sig djupare in i provet. I sista hand, spektroskopitekniken gjorde det möjligt för Milliron och hennes team att undersöka dopingfördelningen som en funktion av avståndet från nanokristallernas yta.

Studier av två uppsättningar prover gjorde det möjligt för dem att korrelera tennfördelning med optiska egenskaper, och visade att formen och våglängden för plasmonabsorption berodde på tennfördelning. Tennet som segregerats på ytan visade minskad aktivering av dopämnen och symmetriska plasmonresonanser, utan dämpning orsakad av dopmedlen.

"När plåten sitter nära ytan, den interagerar endast svagt med majoriteten av de fria elektronerna, " förklarar Lounis. "Detta ger oss fördelarna med dopning utan några nackdelar."

"Nu när vi vet hur man undersöker, vi kan gå efter riktade designfunktioner för särskilda applikationer, "avslutar Milliron. Medvetet placering av dopningsmedel genom design ger ett nytt verktyg för att" ringa in plasmoniska material för att göra precis vad vi vill när det gäller interaktion med ljus. "

En artikel om denna forskning har godkänts för publicering i Journal of the American Chemical Society ( JACS ) i april 2014. Uppsatsen har titeln "The influence of dopant distribution on the plasmonic properties of indium tin oxide nanocrystals" med Lounis som huvudförfattare och Milliron som motsvarande författare. Andra författare är Evan Runnerstorm, Amy Bergerud, och Dennis Nordlund.