Kollaborativ forskning vid Notre Dame har visat att elektroniska interaktioner spelar en betydande roll i den dimensionella korsningen av halvledarnanomaterial. Laboratoriet i Masaru Kuno, professor i kemi och biokemi, och Boldizsár Jankó -gruppens teorigrupp, professor i fysik, har nu visat att en kritisk längdskala markerar övergången mellan en noldimensionell, kvantpunkt och en endimensionell nanotråd.
Resultaten, "Dimensionell crossover i halvledarnanostrukturer, "publicerades i Naturkommunikation . Matthew P. McDonald och Rusha Chatterjee från Kunos laboratorium och Jixin Si från Jankós grupp är också författare till publikationen.
En kvantpunktstruktur har samma fysiska dimensioner i alla riktningar medan en kvanttråd uppvisar en dimension längre än de andra. Detta innebär att kvantprickar och nanotrådar av samma material uppvisar olika optiska och elektriska svar vid nanoskala eftersom dessa egenskaper är utsökt storleks- och formberoende. Att förstå storleken och formberoende utvecklingen av nanomaterialegenskaper har därför varit ett centralt fokus för nanovetenskapen under de senaste två decennierna. Dock, det har aldrig definitivt fastställts hur en kvantpunkt utvecklas till en nanotråd eftersom dess bildförhållande blir gradvis större. Utvecklas kvantegenskaperna gradvis eller övergår de plötsligt?
Kunos laboratorium upptäckte att det finns en kritisk längd där en kvantpunkt blir nanotrådliknande. Forskarna uppnådde detta genombrott genom att genomföra den första direkt, enstaka partikelabsorptionsmätningar på enskilda halvledarnanoroder, en mellanliggande art mellan kvantprickar och nanotrådar. Enstaka partikel snarare än ensemblemätningar användes för att undvika effekterna av provinhomogeniteter. Vidare, ett absorptionssätt snarare än ett ofta använt utsläppsmetod användes för att kringgå befintliga begränsningar av modern emissionsbaserad enkelpartikelmikroskopi, nämligen, dess begränsning till observation av mycket fluorescerande prover.
Upptäckten markerar ett betydande framsteg i vår förståelse av den storleks- och formberoende kvantmekaniska responsen hos halvledarnanostrukturer. "Alla läroböcker på inledande nivå i halvledar- eller halvledarekonomi måste revidera vad de säger om dimensionell crossover, "Jankó sa." Detta är ett annat exempel där interaktioner gör saker helt annorlunda. "Utöver detta, Kuno föreslår att den enda partikelabsorberingsmetod som avanceras i studien "har praktisk, verkliga applikationer, kanske 40 år på vägen. "Exempel inkluderar den generiska och märkningsfria ultrakänsliga upptäckten av kemiska och biomolekylära arter av högsta intresse inom områdena hembygdssäkerhet samt folkhälsa.
Kunos grupp utförde experimenten som ledde till upptäckten medan Jankós grupp gav teoretiskt stöd.
