Att utnyttja solens kraft och skapa ljusskördande eller ljuskännande enheter kräver ett material som både absorberar ljus effektivt och omvandlar energin till mycket mobil elektrisk ström. Att hitta den perfekta blandningen av egenskaper i ett enda material är en utmaning, så forskare har experimenterat med sätt att kombinera olika material för att skapa "hybrider" med förbättrade funktioner.

I två nyss publicerade artiklar, forskare från det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory, Stony Brook University, och University of Nebraska beskriver ett sådant tillvägagångssätt som kombinerar de utmärkta ljusskördningsegenskaperna för kvantprickar med den avstämbara elektriska konduktiviteten hos en skiktad tindisulfidhalvledare. Hybridmaterialet uppvisade förbättrade ljusskördningsegenskaper genom absorption av ljus med kvantprickarna och deras energioverföring till tindisulfid, både i laboratorietester och när de ingår i elektroniska enheter. Forskningen banar väg för att använda dessa material i optoelektroniska applikationer, såsom energihöstande solceller, ljussensorer, och ljusdioder (lysdioder).

Enligt Mircea Cotlet, den fysikaliska kemisten som ledde detta arbete vid Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science User Facility, "Tvådimensionella metaldikalkogenider som tenndisulfid har några lovande egenskaper för solenergiomvandling och fotodetektortillämpningar, inklusive ett högt yt-till-volym-bildförhållande. Men inget halvledande material har allt. Dessa material är mycket tunna och de är dåliga ljusabsorberare. Så vi försökte blanda dem med andra nanomaterial som ljusabsorberande kvantpunkter för att förbättra deras prestanda genom energiöverföring. "

Ett papper, precis publicerad i tidningen ACS Nano , beskriver en grundläggande studie av hybrid -kvantpunkt/tenn -disulfidmaterialet i sig. Arbetet analyserar hur ljus exciterar kvantprickarna (gjorda av en kadmiumselenidkärna omgiven av ett zinksulfidskal), som sedan överför den absorberade energin till lager av närliggande tindisulfid.

"Vi har kommit fram till ett intressant tillvägagångssätt för att skilja energiöverföring från laddningsöverföring, två vanliga typer av interaktioner som främjas av ljus i sådana hybrider, "sa Prahlad Routh, en doktorand från Stony Brook University som arbetar med Cotlet och medförfattare till ACS Nano papper. "Vi gör detta med enkel nanokristallspektroskopi för att titta på hur enskilda kvantprickar blinkar när de interagerar med arkliknande tindisulfid. Denna enkla metod kan bedöma om komponenter i sådana halvledande hybrider interagerar antingen genom energi eller genom laddningsöverföring."

Forskarna fann att hastigheten för icke-strålande energiöverföring från enskilda kvantprickar till tindisulfid ökar med ett ökande antal tindisulfidlager. Men prestanda i laboratorietester är inte tillräckligt för att bevisa fördelarna med potentiella nya material. Så forskarna införlivade hybridmaterialet i en elektronisk enhet, en fotofält-effekt-transistor, en typ av fotondetektor som vanligtvis används för ljusavkänningstillämpningar.

Som beskrivs i en artikel publicerad online den 24 mars Tillämpad fysikbokstäver , hybridmaterialet förbättrade dramatiskt prestanda för foto-fält-effekt-transistorerna, vilket resulterade i ett fotoströmmande svar (omvandling av ljus till elektrisk ström) som var 500 procent bättre än transistorer gjorda med tindisulfidmaterialet ensamt.

"Denna typ av energiöverföring är en nyckelprocess som möjliggör fotosyntes i naturen, "sa Chang-Yong Nam, en materialvetare vid Center for Functional Nanomaterials och med-motsvarande författare till APL-papperet. "Forskare har försökt efterlikna denna princip när det gäller skörd av elektriska apparater, men det har varit svårt särskilt för nya materialsystem som tenn -disulfiden vi studerade. Vår enhet visar de prestandafördelar som uppnås genom att använda både energiöverföringsprocesser och nya lågdimensionella material. "

Cotlet avslutar, "Idén med att" dopa "tvådimensionella skiktade material med kvantprickar för att förbättra deras ljusabsorberande egenskaper visar lovande för att designa bättre solceller och fotodetektorer."