Kvantprickar är nanopartiklar av halvledare som kan ställas in för att lysa i en regnbåge av färger. Sedan deras upptäckt på 1980-talet, dessa anmärkningsvärda nanopartiklar har hållit fram lockande utsikter för alla typer av nya teknologier, allt från lackerade belysningsmaterial och solceller till kvantdatorchips, biologiska markörer, och till och med laser och kommunikationsteknik.

Men det finns ett problem:kvantprickar blinkar ofta.

Denna "fluorescensintermittens, "som forskare kallar det, har lagt en stopp på många potentiella applikationer. Lasrar och logiska grindar fungerar inte särskilt bra med oseriösa ljuskällor. Kvantprickar kan absorbera specifika ljusfärger, för, men att använda dem för att skörda solljus i solceller är ännu inte särskilt effektivt, delvis på grund av mekanismerna bakom blinkning.

Forskare från University of Chicago som datorer vid Department of Energys National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) undersökte nyligen den mystiska blinkningsprocessen i kiselkvantprickar med hjälp av simuleringar. Deras resultat, publicerades i numret 28 februari av Nanoskala , föra forskare ett steg närmare att förstå – och möjligen åtgärda – problemet.

Den otroliga kvantpunkten

Kvantprickar – olika kända som nanokristaller, nanopartiklar och nanodots – har några fördelaktiga egenskaper som deras bulkmotsvarigheter saknar.

Excitera en kvantprick och den lyser starkt i en specifik ljusfärg. Variera bredden med några atomer och du kan ställa in den så att den lyser i olika färger:Ju mindre prick, desto blåare ljus. Ju större prick, desto rödare. Kvantprickar kan likaså ställas in för att absorbera specifika våglängder av ljus, en användbar egenskap för solceller.

I jämförelse, den molekylära strukturen hos bulkhalvledare bestämmer (och begränsar) färgerna på ljus (eller energier) som emitteras och absorberas. Så, en lysdiod (LED) gjord av ett material kan lysa grönt medan en annan lyser rött. För att få olika färger, du måste använda olika material. Solceller, likaså, använda lager av olika material för att fånga olika våglängder av ljus.

Så, varför beter sig en nanokristall av halvledare så annorlunda än ett större galler av samma material? Med ett ord:storlek. Artificiellt tillverkad för att bara innehålla en handfull atomer, kvantprickar är så små att de finns i skymningszonen mellan newtonsk fysik och kvantfysik, ibland följa en uppsättning regler, ibland den andra, ofta med överraskande effekt.

Medan kristallerna av bulkhalvledare kan förlora och återta elektroner (det är så de leder en laddning) är elektronerna i en kvantpunkt begränsade i punkten. Detta tillstånd kallas kvantinneslutning. När elektronerna i en kvantpunkt interagerar med ljus, de kan genomgå en övergång och "hoppa" (kvantmekaniskt) till ett tillstånd som under normala förhållanden är obemannat. Energin som är förknippad med det minsta hoppet kallas gapet. Gapet är alltså den överskottsenergi som elektroner kan avge, helst som ljus (eller i fallet med solceller, bärare) när du snäpper ner till ett lägre energitillstånd. Som ett resultat, materialets radie definierar energin som dessa prickar kan absorbera och avge.

Besvärligt att blinka

Kvantprickar, dock, tenderar att blinka på och av. Blinkningen är inte slumpmässig (den följer en "maktlag"), men det är inte heller förutsägbart. Således, enskilda partiklar kan mörkna bara i nanosekunder eller förbli mörka i minuter åt gången eller något intervall däremellan.

Forskare har några idéer om vad som orsakar blinkningen, men förstår fortfarande inte exakt hur det fungerar, sa Márton Vörös, en postdoktoral forskare vid University of Chicago som var medförfattare till studien.

"Det har funnits den här idén att ytdefekter, till exempel en hängande bindning på ytan av en nanokristall, kan fånga elektroner och orsaka denna växling mellan ljusa och mörka tillstånd, ", sa Vörös som utförde beräkningarna på NERSC. "Det finns en hel del mikroskopiska modeller som redan lagts fram av andra grupper som förlitar sig på defekter men en fullständig förståelse saknas fortfarande."

Avgiften spelar roll

För att studera blinkande, teamet använde simulerade kisel (Si) nanopartiklar konfigurerade med olika defekter och belagda med kiseldioxid. Börjar med tre olika möjliga defekttillstånd, de använde Hopper-superdatorn (en Cray XE6) för att beräkna de optiska och elektroniska egenskaperna hos den oxiderade kiselnanopartikeln med det vetenskapliga paketet som heter Quantum Espresso.

För att utföra sina beräkningar, teamet konstruerade först virtuella modeller. De ristade beräkningsmässigt virtuella hål ur en kristallin kiseloxid (SiO ₂ ) matris och insatta kiselkvantprickar av olika storlekar, beräkningscykler av glödgning och kylning för att skapa ett mer realistiskt gränssnitt mellan kvantprickarna och SiO ₂ matris. Till sist, dinglande bindningsdefekter introducerades på ytan av kvantprickar genom att ta bort några få utvalda atomer.

Genom att beräkna de elektroniska egenskaperna och hastigheten med vilken elektroner frigör energi, de fann att fångade tillstånd verkligen orsakar quantum dot dimming. Dinglar bindningar på ytan av kiselnanopartiklar fångade elektroner där de rekombinerade "icke-strålande" genom att frigöra värme. Det är, elektronerna sprider överskottsenergi utan att stråla ut ljus. Men det var lite mer komplicerat än så. Dimning berodde också på den totala laddningen av hela kvantpunkten, laget hittade.

Ibland kan en elektron fastna i materialet en prick är inbäddad i, kiseldioxid i detta fall, ger punkten en övergripande positiv laddning. Endast när elektronen förblir instängd på ytan av nanodotten, gör den neutral eller negativt laddad skulle den förfalla utan att stråla ut ljus. "Så, när punkten är positivt laddad, det blir ljust. När den är neutral eller negativt laddad, vi förväntar oss att det skulle vara mörkt, " sa Nicholas P. Brawand, en doktorand vid University of Chicago som var medförfattare till studien.

Utöver att blinka

För att komma fram till deras resultat, forskarna var tvungna att ta fram realistiska modeller av kvantprickar och beräkna deras egenskaper utifrån grundläggande, vetenskapliga principer, vad forskare kallar ab intio (latin för "från början") beräkningar. Dessa beräkningar tog mer än 100, 000 processortimmar på Hopper. "De beräkningar som krävdes för att komma till dessa slutsatser var beräkningsmässigt ganska krävande, ", sa Vörös. "Vi hade inte kunnat göra vårt arbete utan NERSC:s resurser."

"Våra resultat är de första rapporterade ab initio-beräkningarna som visar att hängande bindningar på ytan av oxiderade kiselnanopartiklar kan fungera som effektiva icke-strålande rekombinationscentra, " sa medförfattaren Giulia Galli, som är Liew Family professor i elektronisk struktur och simuleringar vid University of Chicagos Institute for Molecular Engineering. "Våra resultat ger en a priori validering av tolkningen av den roll som dinglande bindningsdefekter spelar i flera fotoniska och optoelektroniska enheter."

Dessutom, forskarnas tekniker kan användas för att hantera effekterna av fångst i solceller. "Fånga, samma fysiska mekanism som orsakar blinkning, kan faktiskt begränsa effektiviteten hos solceller, sa Vörös.

"Nu när vi har testat den här tekniken, vi kan applicera det på nanokristallsolceller, för, sa Galli.