Forskare vid U.S. Department of Energy's Ames Laboratory har utvecklat germanium -nanopartiklar med förbättrad fotoluminescens, gör dem till potentiellt bättre material för solceller och avbildningssonder. Forskargruppen fann att genom att tillsätta tenn till nanopartikelns germaniumkärna, dess gitterstruktur matchade bättre gitterstrukturen hos kadmiumsulfidbeläggningen vilket gör att partiklarna kan absorbera mer ljus.

"För ett solcellsmaterial, uppenbarligen absorberar ljus den första delen och omvandling av solenergi till elektrisk energi är den andra delen, "sa Ames Laboratory -forskaren Emily Smith." Så du vill ha ett material som gör båda effektivt. Germanium har några önskvärda egenskaper för solcellsmaterial, men tyvärr absorberar det inte ljuset bra. "

En del av problemet är att utsidan av germanium -nanopartiklar förändras över tiden, främst från oxidation. Tidigare arbete av Ames Laboratory -forskaren Javier Velas grupp fann att beläggning av nanopartiklar - vanligen kallad ytpassivering - förbättrade nanopartiklarnas förmåga att absorbera ljus.

"Vi mäter faktiskt inte absorption, "Smith förklarade, "vi mäter luminescensen - mängden ljus som avges efter att en foton absorberats."

"Det faktum att germanium inte absorberar ljus väl är ett enkelt sätt att säga att det är ett indirekt bandgapmaterial, "Smith tillade, "och vi försöker göra ett mer direkt bandgapmaterial, en som absorberar ljus bättre. "

Enligt forskningslitteraturen, tillsatsen av tenn verkar förbättra germaniums ljusabsorberande egenskaper. Dock, forskarna från Ames Laboratory fann att även med tillsats av tenn, nanopartiklarna krävde fortfarande en ytbeläggning. Men de upptäckte också att förhållandet mellan atomstrukturen hos ytbeläggningen och kärnmaterialet kan ytterligare förbättra ljusabsorptionen.

Den specifika metod som används kallas Successive Ion Layer Adsorption and Reaction eller 'SILAR', som först anpassades till grupp IV -kolloider för flera år sedan.

"Vi har utvecklat den expertis som krävs för att odla invecklade kärnor/skal och andra väldefinierade nanopartiklar i många år, "Vela sa, "Genom vårt samarbete med Emily Smiths grupp, Vi hoppas kunna fortsätta göra inhopp i vår förmåga att manipulera och styra energiflöden på nanoskala. "

Med hjälp av överföringselektronmikroskopi och pulverröntgendiffraktion för att studera nanopartiklarnas strukturella egenskaper och Raman- och fotoluminescensspektroskopier för att kvantifiera gitterstam och fotoluminescensbeteende, gruppen fann en korrelation mellan mängden tenn i kärnan och hur väl kärnans gitter stämde överens med kadmiumsulfids yttre skal.

"Atomerna är på en mycket specifik plats inom nanokristallkärnan och när du applicerar skalet runt nanokristallen, atomerna i skalet kanske inte matchar perfekt med kärnans atomer, "Smith sa." Med germanium endast material som använts tidigare, kärnan och skalet passade inte perfekt. "

"När vi studerade germanium-tennpartiklarna, vi föreslog att de fungerade bättre eftersom avståndet mellan atomerna bättre matchar avståndet mellan atomerna vi använde i pälskiktet, "sa hon." Genom att göra det, du får ett mer perfekt skal som är mindre sannolikt att orsaka kemiska förändringar på ytan av nanopartikelkärnan. "

En annan potentiell användning för detta material, förutom solceller, är det vid mikroskopi eller avbildning, forskare behöver ofta "märka" ett protein eller en annan funktion med en nanopartikel "sond" för att få det att lysa upp så att det är lättare att se och studera.

Forskningsresultaten, "Germanium-Tin/Cadmium Sulfide Core/Shell Nanocrystals with Enhanced Near-Infrared Photoluminescence, "publicerades i American Chemical Society's journal Materialkemi .