Forskare vid ETH har gett den första teoretiska förklaringen till hur elektrisk ström leds i halvledare gjorda av nanokristaller. I framtiden, detta kan leda till utvecklingen av nya sensorer, lasrar eller lysdioder för TV-skärmar.

Några år sedan, vi introducerades till TV-skärmar med QLED-teknik som producerar lysande färger. "Q" här står för "quantum dot". Kvantprickar är kristaller av ett halvledarmaterial endast några nanometer stora som består av ett par tusen atomer. Dessa nanokristaller är så små att elektronerna i dem bara kan anta vissa väldefinierade kvantmekaniska energinivåer. Som en konsekvens, när kvantprickar belyses av bakgrundsbelysningen på en TV, ljus av en viss färg sänds ut av kvanthopp mellan dessa nivåer.

I nästa generations QLED-TV, förhoppningen är att använda elektricitet för att få kvantprickarna att lysa av sig själva istället för att behöva en bakgrundsbelysning. Tills nu, dock, den teoretiska förståelsen av hur elektrisk ström rör sig genom en tunn film av nanokristaller saknades. Ett team av forskare från institutionen för informationsteknologi och elektroteknik vid ETH Zürich ledd av Vanessa Wood har nu täppt till det gapet, som de rapporterar i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .

Resårmadrass vs bordsskiva

Teorin om hur elektrisk ström rör sig i halvledare som inte är nanostora har varit känd i mer än nittio år och mjukvaruverktyg finns för att modellera deras beteende. Industrin kan kontrollera de elektroniska egenskaperna hos halvledare genom att medvetet lägga till föroreningsatomer (dopning), vilket ändrar antalet gratis laddningsbärare (elektroner). Däremot Halvledare som består av många små nanokristallkvantprickar kan inte behandlas med dessa metoder.

I nanokristaller, att lägga till föroreningsatomer leder inte nödvändigtvis till gratis laddningsbärare. Vidare, gratisavgifter beter sig inte på samma sätt. "Laddningsbärare i en normal halvledare rör sig som bowlingklot som rullar på en slät bordsskiva, medan de i ett nanokristallmaterial fungerar som bowlingklot på en mjuk madrass, sjunker in och deformerar den, "Trä illustrerar problemet.

Krävande modellering

För den teoretiska modelleringen betyder detta att atomerna i nanokristallhalvledarens kristallgitter inte bara kan ses som stationära punkter, vilket är vad man brukar göra med vanliga halvledare. "Snarare, vi var tvungna att matematiskt beskriva var och en av de flera hundra tusen atomerna i materialets många nanokristaller, och hur varje atom interagerar med laddningsbärare, " förklarar Nuri Yazdani, som arbetade i Woods forskargrupp som Ph.D. student och är förstaförfattare till den nyligen publicerade studien.

Genom att använda Swiss Supercomputing Center CSCS i Lugano, Yazdani körde en komplex kod där alla detaljer i problemet – elektronernas och atomernas rörelse samt interaktionerna mellan dem – togs i beaktande. "Särskilt, vi ville förstå hur laddningsbärare rör sig mellan de enskilda nanokristallerna och varför de blir "fångade" och inte kan fortsätta, säger Yazdani.

Resultaten av dessa datorsimuleringar var extremt avslöjande. Det visade sig att den avgörande faktorn för hur ett material som består av många nanokristaller leder elektrisk ström är de minsta deformationerna av kristallerna, bara några tusendels nanometer, som leder till en enorm förändring i elektrostatisk energi. När laddning deformerar materialet runt den, detta är känt som en polaron, och Yazdanis simuleringar visar att ström flyter genom polaroner och hoppar från en nanokristall till en annan.

En modell förklarar allt

Modellen förklarar hur de elektroniska egenskaperna hos de nanokristallbaserade halvledarna förändras genom att variera storleken på nanokristallerna och hur de packas i filmen. För att testa förutsägelserna av deras simuleringar, teamet producerade tunna filmer av nanokristaller i laboratoriet och mätte det elektriska svaret för olika applicerade spänningar och temperaturer. I dessa experiment, de skapade fria elektroner i ena änden av materialet med hjälp av en kort laserpuls och observerade sedan när de anlände till den andra änden. Resultatet:för vart och ett av de flera hundra olika testerna, datorsimuleringen förutspådde perfekt de elektriska egenskaperna.

"Efter åtta års intensivt arbete, vi har nu skapat en modell som äntligen kvantitativt kan förklara inte bara våra experiment, men också från många andra forskargrupper under de senaste åren, ", säger Wood. "En sådan modell kommer att göra det möjligt för forskare och ingenjörer i framtiden att beräkna egenskaperna hos en nanokristallhalvledare redan innan den produceras." Detta borde göra det möjligt att optimera sådana material för särskilda applikationer. detta måste göras genom försök och misstag, " tillägger Wood.

Med hjälp av resultaten från ETH-forskarna, i framtiden kan användbara halvledare utvecklas från nanokristallmaterial för olika applikationer i sensorer, laser eller lysdioder – även för TV-skärmar. Som komposition, storlek, och arrangemanget av nanokristallerna kan kontrolleras under deras produktion, sådana material lovar ett mycket bredare utbud av elektriska egenskaper än traditionella halvledare.