Kwantumdots vormen geordend materiaal

Kwantumdots zijn clusters van zo’n duizend atomen die samen één groot ‘super-atoom’ vormen. Het is mogelijk om de elektrische eigenschappen van die dots nauwkeurig af te stellen door hun grootte aan te passen. Maar voor een echte toepassing is het nodig heel veel van die dots te combineren tot een nieuw materiaal. Helaas gaan tijdens dit proces de eigenschappen van die dots doorgaans verloren. Nu is een team onder leiding van Maria Antonietta Loi, RUG-hoogleraar Fotofysica en Opto-elektronica, er in geslaagd om van kwantumdots een goed geleidend opto-elektronisch meta-materiaal te maken via zelforganisatie. Dit metamateriaal is beschreven in het tijdschrift Advanced Materials op 29 oktober.

Kwantumdots van lood-selenide (PbSe) of loodsulfide (PbS) kunnen korte golf infraroodlicht omzetten in een elektrische stroom. Dat is een nuttige eigenschap voor gebruik in detectoren of schakelaars in telecommunicatie. ‘Maar een enkele dot is nog geen werkende schakeling. Wanneer we meerdere dots combineren verliezen ze de unieke optische eigenschappen van de afzonderlijke dots, en als die wel intact blijven is de ladingsgeleiding erg slecht’, legt Loi uit. ‘De oorzaak hiervoor is dat het erg moeilijk is om een goed geordend materiaal te maken met de dots.’

Geordend

Samen met RUG-collega’s van het Zernike Institute for Advanced Materials aan de Faculty of Science and Engineering experimenteerde Loi met een methode om een metamateriaal te maken uit een colloïd-oplossing van kwantumdots. Die dots van elk zo’n vijf tot zes nanometer groot laten een hoge geleiding zien wanneer ze een geordend patroon vormen, terwijl ze ook nog eens hun optische eigenschappen behouden.

‘We wisten uit de literatuur dat dots via zelforganisatie een tweedimensionale geordende laag vormen. Dat wilden we uitbouwen naar een 3D materiaal’, vertelt Loi. Om dat te bereiken vulden ze kleine cups met een vloeistof die dienst deed als een “matras” voor de colloïde kwantumdots. ‘Door een kleine hoeveelheid daarvan te injecteren op het oppervlak van de vloeistof konden we een 2D materiaal maken. En als we een groter volume aan kwantumdots opbrachten, vormde zich een geordend 3D materiaal.’

Superrooster

De dots komen niet in de vloeistof terecht en oriënteren zich op het oppervlak zodanig dat ze een zo laag mogelijke energietoestand te bereiken. ‘De dots hebben de vorm van een afgeknotte kubus en wanneer je ze bij elkaar voegt vormen ze een geordende structuur in drie dimensies, een superrooster, waarin de dots zich gedragen als de atomen in een kristal’, legt Loi uit. Dit superrooster vertoont de hoogste elektronenmobiliteit die ooit is gevonden bij samengestelde kwantumdots.

Detectoren

Om er achter te komen hoe dit nieuwe metamateriaal eruit ziet was speciale apparatuur nodig. Het team gebruikte een elektronenmicroscoop die de details van het materiaal in atomaire resolutie kan tonen. En ze brachten de grootschalige structuur in beeld met behulp van een speciale röntgentechniek, de Grazing-incidence small-angle X-ray scattering. ‘Beide technieken zijn beschikbaar binnen het Zernike Instituut, dankzij mijn collega’s Bart Kooi en Giuseppe Portale. Dat hielp enorm in dit project’, vertelt Loi.

Metingen van de elektrische eigenschappen van het materiaal laat zien dat die sterk overeenkomen met een halfgeleider, terwijl de optische eigenschappen van de dots overeind blijven. Daarmee baant dit experiment de weg voor het maken van nieuwe metamaterialen met kwantumdots. De gevoeligheid van de gebruikte dots voor infrarood licht zijn nuttig voor het bouwen van schakelaars voor telecommunicatie apparatuur. ‘En je kunt er infrarood detectoren voor nachtkijkers van maken, of voor zelfrijdende auto’s.’

Bouwstenen

Loi is zeer tevreden met de resultaten van de experimenten: ‘Mensen dromen hier al sinds de jaren tachtig van. Zo lang is er al geprobeerd om kwantumdots tot functionele materialen te verwerken. De mate van controle over de structuur en de eigenschappen de wij hebben bereikt overtreft onze stoutste verwachtingen.’ Loi wil de techniek om superroosters te maken van kwantumdots nu beter begrijpen en verder verbeteren. Ze heeft onlangs ook een Advanced Grant van de European Research Council ontvangen om de techniek toe te passen met nieuwe bouwstenen. ‘Onze volgende stap is om de techniek zodanig te verbeteren dat we betere materialen kunnen maken die we zullen toepassen in lichtdetectoren.’

Referentie: Jacopo Pinna, K. Razieh Mehrabi, Dnyaneshwar S. Gavhane, Majid Ahmadi, Suhas Mutalik, Muhammad Zohaib, Loredana Protesescu, Bart J. Kooi, Giuseppe Portale and Maria Antonietta Loi: Approaching Bulk Mobility in PbSe Colloidal Quantum dots 3D Superlattices. Advanced Materials, 29 oktober 2022