(Phys.org) — La cerise sur le gâteau pour les nanocristaux semi-conducteurs qui fournissent un effet optoélectronique non amorti peut exister sous la forme d'une couche d'étain qui se sépare près de la surface.

Une méthode pour modifier les propriétés électriques d'un semi-conducteur consiste à introduire des impuretés appelées dopants. Une équipe dirigée par Delia Milliron, un chimiste à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, un centre national de nanosciences du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), a démontré qu'aussi important que la quantité de dopant est la façon dont le dopant est distribué sur la surface et dans tout le matériau. Cela ouvre la porte à l'ingénierie de la distribution du dopant afin de contrôler quelle longueur d'onde le matériau va absorber et plus généralement comment la lumière interagit avec les nanocristaux.

"Le dopage dans les nanocristaux semi-conducteurs est encore un art en évolution, " dit Milliron. " Ce n'est qu'au cours des dernières années que les gens ont commencé à observer des propriétés optiques intéressantes à la suite de l'introduction de dopants dans ces matériaux, mais la façon dont les dopants sont distribués au sein des nanocristaux reste largement inconnue. Les sites qu'ils occupent et où ils sont situés dans le matériau influencent grandement les propriétés optiques. »

Le plus récent titre de gloire de Milliron, une technologie « fenêtre intelligente » qui non seulement bloque le rayonnement infrarouge naturel (IR) tout en permettant le passage de la lumière visible à travers un verre à couche transparent, mais permet également un contrôle indépendant sur les deux types de rayonnement, repose sur un semi-conducteur dopé appelé oxyde d'indium et d'étain (ITO).

ITO, dans lequel l'étain (le dopant) a remplacé une partie des ions indium dans l'oxyde d'indium (le semi-conducteur), est devenu le matériau nanocristal semi-conducteur dopé prototype. Il est utilisé dans toutes sortes d'appareils électroniques, y compris les écrans tactiles, fenêtres intelligentes et cellules solaires.

"Ce qui est passionnant avec cette classe de matériaux, c'est que les dopants sont capables d'introduire des électrons libres qui se forment à haute densité dans le matériau, ce qui les rend conducteurs et donc utiles comme conducteurs transparents, " dit Milliron

Mais les mêmes électrons font que les matériaux sont plasmoniques dans la partie IR du spectre. Cela signifie que la lumière de longueur d'onde IR peut résonner avec les électrons libres dans le matériau :les champs électriques oscillants dans la lumière résonnent et peuvent provoquer une absorption.

"[Ces matériaux] peuvent absorber la lumière IR d'une manière qui est réglable en ajustant le dopage, tout en restant transparent à la lumière visible naturelle. Une quantité réglable d'absorption de la lumière IR vous permet de contrôler le chauffage. Pour nous, c'est l'application de conduite, " explique Milliron.

Jusqu'à maintenant, des ajustements ont été effectués en modifiant la quantité de dopant dans le semi-conducteur. Intrigué par des études dans lesquelles les propriétés optiques ne se sont pas comportées comme prévu, Milliron et le candidat au doctorat de l'Université de Californie (UC) Berkeley, Sébastien Lounis, se sont tournés vers la spectroscopie photoélectronique aux rayons X pour sonder les électrons près de la surface des échantillons d'ITO et étudier la distribution des éléments dans les échantillons à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL).

Le SSRL utilise un faisceau de photons accordable pour exciter les électrons à l'intérieur du matériau. Si les électrons sont assez près de la surface, ils peuvent parfois être émis et collectés par un détecteur. Ces électrons renseignent sur les propriétés du matériau, y compris le rapport des quantités de différents éléments comme l'indium et l'étain dans l'ITO. L'augmentation de l'énergie du faisceau de rayons X montre comment la composition de l'étain et de l'indium change à mesure que l'on pénètre plus profondément dans l'échantillon. Finalement, la technique de spectroscopie a permis à Milliron et à son équipe de sonder la distribution du dopage en fonction de la distance à la surface des nanocristaux.

L'étude de deux séries d'échantillons leur a permis de corréler la distribution de l'étain avec les propriétés optiques, et a montré que la forme et la longueur d'onde de l'absorption des plasmons dépendaient de la distribution de l'étain. L'étain séparé à la surface a montré une activation réduite des dopants et des résonances plasmoniques symétriques, sans amortissement causé par les dopants.

"Quand l'étain se trouve près de la surface, il n'interagit que faiblement avec la majorité des électrons libres, " explique Lounis. " Cela nous donne les avantages du dopage sans certains inconvénients. "

"Maintenant que nous savons sonder, nous pouvons rechercher des caractéristiques de conception ciblées pour des applications particulières, " conclut Milliron. Le placement délibéré de dopants par conception fournit un nouvel outil pour "composer des matériaux plasmoniques pour faire exactement ce que nous voulons en termes d'interaction avec la lumière".

Un article sur cette recherche a été accepté pour publication dans le Journal de l'American Chemical Society ( JACS ) en avril 2014. L'article est intitulé "L'influence de la distribution de dopants sur les propriétés plasmoniques des nanocristaux d'oxyde d'indium et d'étain" avec Lounis comme auteur principal et Milliron comme auteur correspondant. Les autres auteurs sont Evan Runnerstorm, Amy Bergerud, et Dennis Nordlund.