De gauche à droite :Sanjit Ghose, scientifique de la ligne de lumière XPD, chercheuse postdoctorale Anna Plonka, et le chimiste de Brookhaven Anatoly Frenkel. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Des chercheurs de l'Université hébraïque de Jérusalem, Université Stony Brook, et le laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie (DOE) ont découvert de nouveaux effets d'une méthode importante de modulation des semi-conducteurs. La méthode, qui fonctionne en créant des espaces ouverts ou "vacances" dans la structure d'un matériau, permet aux scientifiques de régler les propriétés électroniques des nanocristaux semi-conducteurs (SCNC), des particules semi-conductrices inférieures à 100 nanomètres. Cette découverte fera avancer le développement de nouvelles technologies comme les fenêtres intelligentes, qui peut changer l'opacité à la demande.
Les scientifiques utilisent une technique appelée "dopage chimique" pour contrôler les propriétés électroniques des semi-conducteurs. Dans ce processus, des impuretés chimiques (atomes de différents matériaux) sont ajoutées à un semi-conducteur afin de modifier sa conductivité électrique. Bien qu'il soit possible de doper les SCNC, c'est très difficile en raison de leur petite taille. La quantité d'impuretés ajoutées lors du dopage chimique est si faible que pour doper correctement un nanocristal, pas plus de quelques atomes peuvent être ajoutés au cristal. Les nanocristaux ont également tendance à expulser les impuretés, complique encore davantage le processus de dopage.
Cherchant à contrôler plus facilement les propriétés électroniques des SCNC, les chercheurs ont étudié une technique appelée formation de postes vacants. Dans cette méthode, les impuretés ne sont pas ajoutées au semi-conducteur; au lieu, les lacunes dans sa structure sont formées par des réactions d'oxydoréduction (redox), un type de réaction chimique où les électrons sont transférés entre deux matériaux. Lors de ce transfert, un type de dopage se produit sous forme d'électrons manquants, appelés trous, devenir libre de se déplacer dans toute la structure du cristal, altérant considérablement la conductivité électrique du SCNC.
"Nous avons également identifié des effets de taille dans l'efficacité de la réaction de dopage de formation de lacunes, " dit Uri Banin, un nanotechnologue de l'Université hébraïque de Jérusalem. « La formation de postes vacants est en fait plus efficace dans les grands SCNC. »
Dans cette étude, les chercheurs ont étudié une réaction redox entre les nanocristaux de sulfure de cuivre (le semi-conducteur) et l'iode, un produit chimique introduit afin d'influencer la réaction d'oxydoréduction pour qu'elle se produise.
(Haut) L'élimination du cuivre des nanocristaux de sulfure de cuivre et la croissance de l'iode de cuivre sur les facettes des nanocristaux sont illustrées par les résultats de XAFS ; (En bas à gauche) Les nanocristaux plus gros sont dopés plus efficacement par formation de lacunes ; (À droite) La formation de lacunes est observée par XRD. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
"Si vous réduisez le sulfure de cuivre, vous retirerez du cuivre du nanocristal, générer des vides et donc des trous, " a déclaré Anatoly Frenkel, un chimiste du Brookhaven National Laboratory titulaire d'un poste conjoint avec l'Université Stony Brook, et le chercheur principal de Brookhaven sur cette étude.
Les chercheurs ont utilisé la ligne de lumière de diffraction des rayons X sur poudre (XPD) de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - une installation utilisateur du DOE Office of Science - pour étudier la structure du sulfure de cuivre pendant la réaction redox. En projetant des rayons X ultra-lumineux sur leurs échantillons, les chercheurs sont en mesure de déterminer la quantité de cuivre extraite au cours de la réaction redox.
Sur la base de leurs observations au NSLS-II, l'équipe a confirmé que l'ajout de plus d'iode au système provoquait la libération de plus de cuivre et la formation de plus de lacunes. Cela a établi que la formation de lacunes est une technique utile pour régler les propriétés électroniques des SCNC.
Toujours, les chercheurs devaient découvrir ce qui arrivait exactement au cuivre lorsqu'il quittait le nanocristal. Comprendre le comportement du cuivre après la réaction redox est crucial pour mettre en œuvre cette technique dans la technologie des fenêtres intelligentes.
"Si le cuivre disparaît de manière incontrôlable, nous ne pouvons pas le ramener dans le système, " dit Frenkel. " Mais supposons que le cuivre qui est extrait du cristal flotte autour, prêt à rentrer. En utilisant le processus inverse, nous pouvons le remettre dans le système, et nous pouvons faire un appareil qui serait facile de passer d'un état à l'autre. Par exemple, vous seriez en mesure de changer la transparence d'une fenêtre à la demande, selon l'heure de la journée ou votre humeur."
Pour comprendre ce qui arrivait au cuivre, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie à structure fine d'absorption des rayons X (XAFS) à la source avancée de photons (APS) - également une installation utilisateur du DOE Office of Science - au laboratoire national d'Argonne. Cette technique permet aux chercheurs d'étudier les complexes de cuivre extrêmement petits que la diffraction des rayons X ne peut pas détecter. XAFS a révélé que le cuivre se combinait avec l'iode pour former de l'iode de cuivre, un résultat positif qui a indiqué que le cuivre pourrait être remis dans le nanocristal et que les chercheurs ont un contrôle total sur les propriétés électroniques.
