Extra zwavel verbetert elektronische structuur kwantumdots

Kwantumdots zijn halfgeleidende deeltjes van slechts enkele nanometers groot waarmee zonnecellen en elektronica zijn te maken. RUG onderzoekers hebben, samen met collega’s van de ETH Zürich, ontdekt hoe ze de efficiëntie van de ladingsgeleiding in lood-zwavel kwantumdots kunnen vergroten. Zij publiceerden hun resultaten op 29 september in het tijdschrift Science Advances.

Kwantumdots zijn clusters van pakweg duizend atomen die zich gedragen als één ‘superatoom’. De dots worden gemaakt als een colloïd, een suspensie in een vloeistof net zoals verf, waar met relatief simpele technieken dunne films van zijn te maken. Deze dunne films kunnen licht omzetten in elektriciteit. Alleen, zo ontdekten wetenschappers, er zit een beperking aan het materiaal. ‘Die zit vooral in de geleiding van de gaten, de positieve tegenhanger van het negatief geladen elektron’, vertelt Daniel Balazs, promovendus in de groep Fotofysica en optoelektronica van prof. Maria A. Loi, binnen het Zernike Institute for Advanced Materials van de RUG.

De groep van Loi werkt met kwantumdots van lood-sulfide. Wanneer licht een elektron/gat paar produceert in zo’n dot bewegen beide met ongelijke efficiëntie door het materiaal. Als het transport beperkt is, kunnen gaten en elektronen weer recombineren, wat de omzetting van licht in energie verkleint. Balazs richtte zich daarom op het verbeteren van de slechte geleiding van gaten in kwantumdots. Hij wilde ook een manier vinden om deze klassen van materialen te kunnen ‘tunen’ en multifunctioneel te maken.

Dunne films

‘Het eigenlijke probleem zit in de stoichiometrie, zeg maar de verhouding, van lood en zwavel’, legt hij uit. In kwantumdots zit bijna de helft van alle atomen aan het oppervlak van het superatoom. In een systeem van lood en zwavel zitten de loodatomen het liefst aan de buitenkant, wat uiteindelijk een verhouding tussen lood en zwavel van 3:1 oplevert, in plaats van 1:1. Deze overmaat van lood zorgt ervoor dat de kwantumdot beter is in het transporteren van elektronen dan van gaten.

In bulkmateriaal (een zeer grote hoeveelheid atomen) is het transport doorgaans te beïnvloeden door ‘doping’: het toevoegen van een kleine hoeveelheid onzuiverheden aan het materiaal. Pogingen om zwavel aan de kwantumdots toe te voegen zijn tot nu toe echter steeds mislukt. Maar nu hebben Balazs en Loi ene manier gevonden om het transport van gaten te vergroten zonder de geleiding van elektronen aan te tasten.

Veel andere groepen probeerden zwavel toe te voegen tijdens ander stappen in het productieproces. Dit bleek allerlei problemen op te leveren, zoals een verstoring van de ordening van de dots in de dunne film. Daarom maakte Balazs eerst een netjes geordende film en voegde daarna pas zwavel toe. Op die manier wist hij met succes zwavelatomen toe te voegen aan het oppervlak van de kwantumdots, zonder de eigenschappen van de film aan te tasten. ‘Om dit resultaat mogelijk te maken hadden we een nauwkeurige analyse nodig van de chemische en fysische processen tijdens het ordenen van kwantumdots in een dunne film en tijdens het toevoegen van zwavel. Daarom had onze groep, samen met chemici uit Zürich, uiteindelijk wel succes.’

Het team van Loi is nu in staat verschillende hoeveelheden zwavel toe te voegen, waarmee ze de elektrische eigenschappen van de superatomen kunnen afstellen. ‘We weten nu dat we de efficiëntie van kwantumdot zonnecellen tot boven het huidige record van 11 procent kunnen verbeteren. De volgende stap is om te laten zien dat het met deze methode mogelijk is ook andere soorten functionele schakelingen en thermo-elektrische materialen kan maken.’ Het onderstreept de unieke eigenschappen van kwantumdots: ze kunnen zich gedragen als één atoom met specifieke elektrische eigenschappen. ‘En nu zijn we in staat ze te maken en maar believen de elektrische eigenschappen af te stellen. Dat is iets wat je niet met bulkmateriaal kunt doen en het biedt nieuwe mogelijkheden voor elektronische en opto-elektronische toepassingen.’

Referentie: Daniel M. Balazs, Klaas I. Bijlsma, Hong-Hua Fang, Dmitry N. Dirin, Max Döbeli, Maksym V. Kovalenko, Maria A. Loi: Stoichiometric control of the density of states in PbS colloidal quantum dot solids Electronic structure engineering in quantum dot solids. Science Advances, 29 September 2017