A. Jolene Mork, un étudiant de cinquième année du MIT en chimie, et Mark C. Weidman, un étudiant diplômé de quatrième année en génie chimique du MIT, travailler avec un réseau de miroirs et de lentilles couplés à un laser qui dirige un faisceau lumineux vers un microscope (non illustré) pour effectuer des expériences de spectroscopie de photoluminescence à résolution temporelle dans le laboratoire Tisdale du MIT. Crédit :Denis Paiste/Centre de traitement des matières
Les nanocristaux de sulfure de plomb adaptés aux cellules solaires ont un rapport presque un pour un entre le plomb et les atomes de soufre, mais les chercheurs du MIT ont découvert que pour créer des points quantiques de taille uniforme, un rapport plus élevé de précurseurs plomb/soufre – 24 pour 1 – est préférable.
Mark C. Weidman, étudiant diplômé en génie chimique du MIT, a développé la recette synthétique dans le laboratoire de William A. Tisdale, le professeur de développement de carrière Charles et Hilda Roddey en génie chimique au MIT, avec ses collègues Ferry Prins, Rachel S. Hoffman et la boursière d'été 2013 Megan Beck. L'uniformité de la taille peut favoriser de longues longueurs de diffusion des excitons dans les films de points quantiques de sulfure de plomb (PbS), dit Weidman.
Habituellement, les points quantiques sont synthétisés sous forme de colloïde, avec des particules en suspension dans un liquide. Si les points quantiques sont tous de la même taille, ils peuvent s'auto-assembler en un treillis ordonné. "S'ils sont assez monodispersés, c'est l'état thermodynamiquement favorisé, " explique Weidman.
Il a confirmé la monodispersité de ses films en microscopie électronique à transmission et à balayage électronique. Weidman s'est également rendu à la source de lumière synchrotron nationale du laboratoire national de Brookhaven à Long Island, NEW YORK., pour effectuer des études de diffusion des rayons X aux petits angles à incidence rasante (GISAXS) et de diffusion des rayons X aux grands angles (WAXS) de ses films minces.
"Mark et Megan ont pu faire extrêmement monodisperse, monodispersité sans précédent dans ce type particulier de nanocristal, sulfure de plomb, " dit Tisdale. Weidman a démêlé le mécanisme de la taille et de la structure uniformes.
Mark Weidman, étudiant diplômé en génie chimique, a caractérisé la formation de super-réseaux de nanocristaux de sulfure de plomb (PbS). Micrographies SEM de films à points quantiques (QD) revêtus par centrifugation fabriqués à partir du spectacle QDs de grand diamètre (en partant du haut à gauche), a) vue de dessus d'un plan BCC (110) exposé ; b) vue de dessus d'un plan BCC (100) exposé ; c) film à discontinuité présentant une épaisseur moyenne d'environ 15 nanocristaux; et d) vue à l'horizon d'un super-réseau QD avec bord exposé. Crédit :Mark C. Weidman
Weidman, qui espère terminer son doctorat au MIT en 2016, s'intéresse au sulfure de plomb en raison de ses utilisations pour les cellules solaires. "Dans quelque chose comme un film de sulfure de plomb qui est utilisé pour le photovoltaïque, pour les cellules solaires, dans ce cas, vous voulez que vos points quantiques absorbent la lumière. Mais alors vous ne voulez pas qu'il réémet. Vous voulez prendre cet électron et ce trou et les retirer du film, les amener à un circuit externe. Donc, vous voulez maximiser la diffusion dans votre film; vous voulez qu'il soit très facile de retirer cette paire d'électrons et de trous et vous voulez une longue durée de vie de cette paire d'électrons et de trous afin que vous ayez beaucoup de temps pour qu'elle se promène dans le film et soit extraite, " dit Weidman.
« Nous espérons trouver des moyens de mieux augmenter l'efficacité des cellules solaires en allongeant beaucoup plus les longueurs de diffusion dans les films de sulfure de plomb, et de cette façon, il est plus facile d'extraire les porteurs de charge du film."
La longueur de diffusion fait référence au processus de déplacement des excitons (paires d'électrons et de trous de charges opposées), ou "sauter, " de point quantique en point quantique, ou de points quantiques à un matériau voisin. La distance parcourue par les excitons et leur durée de vie affectent les applications potentielles. Weidman était co-auteur d'une étude collaborative entre les professeurs Tisdale, Vladimir Bulovic, et Adam Willard de la diffusion dans les solides quantiques, qui a mesuré les durées de vie des excitons et modélisé les longueurs de diffusion des excitons. Une autre étudiante diplômée, A. Jolene Mork, a participé à la préparation des échantillons et aux mesures de spectroscopie transitoire.
Pour cette étude, Weidman a effectué une microscopie électronique et une analyse à l'aide d'outils de traitement d'images et d'une programmation MATLAB pour déterminer la séparation, ou distanciation physique, entre les points quantiques du film. Les points quantiques du noyau de séléniure de cadmium avec une enveloppe de cadmium zinc-soufre avaient des distances moyennes de centre à centre d'environ 7,9 nanomètres. "Ce que nous avons appris, c'est que vous voulez rendre la distance centre à centre aussi petite que possible pour avoir une longueur de diffusion plus longue, pour maximiser votre durée de diffusion, " dit Weidman.
L'étudiant diplômé Mark Weidman et ses collègues ont démontré comment synthétiser des nanocristaux de sulfure de plomb de taille uniforme. Crédit :Denis Paiste/Centre de traitement des matières
Les points quantiques sont également appréciés pour leur propriété de changer de couleur lorsqu'ils changent de taille, qui est lié à leur bande interdite changeante. Pour avoir une couleur homogène, vous devez avoir une taille cohérente parmi un ensemble de points quantiques. La collègue du groupe Tisdale, Elizabeth M.Y. (Liza) Lee a simulé des variations de taille dans le film à points quantiques pour l'étude, note Weidman. "Cet article montre à peu près que vous pouvez contrôler la quantité de diffusion énergétique qui se produit dans les films de points quantiques en adaptant leur proximité physique, " il explique.
« L'autre grande implication de cet article est que, d'après ce que nous avons vu dans certaines simulations, un certain désordre énergétique peut être bon dans ces films afin de lancer le bal sur la diffusion d'énergie. Si vous avez des variations de taille et que cela vous donne des variations d'énergie, alors quand tu excites ce film, et vous obtenez cette population de points quantiques excités, alors certains d'entre eux sont plus énergétiques que d'autres, certains d'entre eux sont des énergies inférieures, donc naturellement les excitons qui sont sur les points quantiques à haute énergie trouveront le site à basse énergie, et c'est la diffusion d'énergie. Donc, un peu de variation de taille peut aider à accélérer ce processus, " dit Weidman. " Si vous y pensez comme un paysage vallonné, vous avez ces excitons qui sont au sommet de la colline, et ils trouvent un moyen de rouler jusqu'au bas de la colline, alors que si vous aviez un film complètement homogène et plat en énergie, alors vous ne démarrez pas la diffusion d'énergie aussi rapidement."
Weidman est l'auteur principal d'un Chimie des Matériaux document qui a approfondi et caractérisé la formation de super-réseaux de nanocristaux de sulfure de plomb. « Nous pouvons créer des super-réseaux à longue portée dans lesquels non seulement les points quantiques sont ordonnés, mais leurs plans atomiques sont également alignés, " explique Weidman. " Nous avons également découvert que nous pouvons changer les espèces de ligands à la surface de nos points quantiques, un excellent moyen de modifier les propriétés du film, à des espèces plus compactes et fonctionnelles sans perturber l'arrangement du super-réseau. » Il étudie actuellement le transport d'énergie sur de longues distances dans des matériaux infrarouges, qui pourrait s'appliquer aux cellules solaires.
Weidman, un diplômé de 26 ans de l'Université du Delaware, est originaire de Haddonfield, N.J. Après avoir terminé son doctorat au MIT, il envisage de trouver un emploi dans l'industrie. « J'aimerais continuer à travailler avec les nanomatériaux, " dit-il. " Je pense que c'est un domaine très excitant. "
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
