Ett nytt tillvägagångssätt för att utveckla halvledarmaterial i små skalor kan hjälpa till att öka applikationer som är beroende av att omvandla ljus till energi. En Los Alamos-ledd forskargrupp inkorporerade magnetiska dopämnen i speciellt framtagna kolloidala kvantprickar – halvledarkristaller i nanoskala – och kunde uppnå effekter som kan driva solcellsteknik, fotodetektorer och applikationer som är beroende av ljus för att driva kemiska reaktioner.
"I kvantprickar som består av en bly-selenidkärna och ett kadmium-selenidskal, fungerar manganjoner som små magneter vars magnetiska snurrar starkt interagerar med både kärnan och skalet på kvantpunkten", säger Victor Klimov, ledare för Los Alamos. nanoteknikteam och projektets huvudutredare. "Under loppet av dessa interaktioner kan energi överföras till och från manganjonen genom att vända dess spin - en process som vanligtvis kallas spinnutbyte."
Vid spin-utbytesbärarmultiplikation genererar en enda absorberad foton inte ett utan två elektron-hålpar, även kända som excitoner, som uppstår som ett resultat av spin-flip-relaxation av en exciterad manganjon.
På grund av den extremt snabba hastigheten av spin-utbytesinteraktioner visar de magnetiskt dopade kvantprickarna en trefaldig förbättring av bärarmultiplikationsutbytet jämfört med liknande strukturerade odopade kvantprickar. Viktigt är att förbättringen är särskilt stor i intervallet av fotonenergier inom solspektrumet, vilket leder till möjliga tillämpningar av fotokonverteringsteknik.
Normalt genererar en foton som absorberas av en halvledare en elektron i ledningsbandet och en tomhet i valensbandet som kallas ett "hål". Denna process ligger till grund för driften av fotodioder, bildsensorer och solceller där de genererade laddningsbärarna extraheras som en fotoström. De fotogenererade elektronerna och hålen kan också vara användbara inom kemi där de kan underlätta så kallade redoxreaktioner som involverar elektronöverföring från en enhet till en annan.
Alla typer av fotokonverteringssystem skulle dra nytta av bärarmultiplikation, en process som utlöses av en högenergifoton som genererar en "het" bärare med en stor kinetisk energi. Denna energi försvinner sedan i en kollision med en valensbandelektron genom att excitera den till ledningsbandet. Som ett resultat läggs ett nytt elektron-hål-par till det ursprungliga paret som skapas av den absorberade fotonen.
På grund av konkurrerande energiförluster på grund av interaktioner med gittervibrationer (vanligtvis kallade fononer), är bärarmultiplikation ineffektiv i bulkfasta ämnen. Men som Los Alamos-forskare först visade 2004, förstärktes denna effekt i kemiskt syntetiserade kolloidala kvantprickar. Den mycket lilla storleken på kolloidala kvantprickar ökar frekvensen av elektron-elektronkollisioner och underlättar därmed bärvågsmultiplikation.
Emellertid, även i kvantprickarna, är effektiviteten av bärarmultiplikation inte tillräckligt hög för att ha en märkbar effekt på prestandan hos praktiska fotokonverteringsscheman. Liksom i fallet med bulkkristaller är den primära begränsningen energiförluster på grund av snabb emission av fononer som leder till "icke-produktiv" uppvärmning av ett kristallgitter.
Mangandopämnen hjälper till att ta itu med problemen med snabba fononemissioner. Med utgångspunkt från tidigare forskning som visade tidsskalorna under pikosekunder för spin-exchange-interaktioner – som är snabbare än fononemissioner – insåg forskarna att användningen av dessa interaktioner skulle öka effektiviteten av bärvågsmultiplikation.
"För att kunna genomföra spin-exchange-bärarmultiplikation behöver man korrekt konstruerade kvantprickar", säger Clement Livache, postdoktor och spektroskopiexpert på nanoteknikteamet. "Bandgapet för dessa prickar måste vara mindre än hälften av energin för manganspin-flip-övergången och vidare bör spinstrukturen för kvantprickarna matcha den för den exciterade manganjonen."
"Energiförhållandena kan tillfredsställas med mangandopade kvantprickar som innehåller en bly-selenidkärna och kadmium-selenidskal", säger Hin Jo, ledande kemist på projektet. "I dessa strukturer sker bärarförökning via två spin-utbytessteg. Först överförs energin från elektron-hålsparet, som genereras av en absorberad foton i kadmium-selenidskalet, till manganjonen. Därefter överförs manganjonen genomgår spin-flip-avslappning tillbaka till det oexciterade tillståndet genom att skapa två excitoner i bly-selenidkärnan."
Spin-utbytesbärarmultiplikation kan vara särskilt användbar i multi-elektron/hål-reaktioner som kräver flera reduktions- och oxidationshändelser. En av flaskhalsarna i detta fall är en väntetid mellan sekventiell reduktion och oxidationssteg. Bärarmultiplikation eliminerar denna flaskhals genom att producera par av laddningsbärare (två elektroner och två hål) samlokaliserade i temporala och rumsliga domäner.
Forskningen är publicerad i tidskriften Nature Materials .
Mer information: Ho Jin et al, Spin-exchange-bärarmultiplikation i mangandopade kolloidala kvantprickar, Naturmaterial (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01598-x
Tillhandahålls av Los Alamos National Laboratory
