Des chercheurs du laboratoire Ames du département de l'Énergie des États-Unis ont développé des nanoparticules de germanium avec une photoluminescence améliorée, ce qui en fait des matériaux potentiellement meilleurs pour les cellules solaires et les sondes d'imagerie. L'équipe de recherche a découvert qu'en ajoutant de l'étain au noyau de germanium de la nanoparticule, sa structure en treillis correspondait mieux à la structure en treillis du revêtement de sulfure de cadmium qui permet aux particules d'absorber plus de lumière.

« Pour un matériel photovoltaïque, évidemment absorber la lumière est la première partie et convertir cette énergie solaire en énergie électrique est la deuxième partie, " a déclaré Emily Smith, scientifique du laboratoire Ames. " Donc, vous voulez un matériau qui fait les deux efficacement. Le germanium présente certaines caractéristiques souhaitables pour les matériaux photovoltaïques, mais malheureusement, il n'absorbe pas bien la lumière."

Une partie du problème est que la surface extérieure des nanoparticules de germanium change avec le temps, principalement de l'oxydation. Des travaux antérieurs du groupe de Javier Vela, scientifique du laboratoire Ames, ont découvert que le revêtement de nanoparticules, communément appelé passivation de surface, améliorait la capacité des nanoparticules à absorber la lumière.

"Nous ne mesurons pas réellement l'absorption, " Smith a expliqué, "nous mesurons la luminescence - la quantité de lumière émise après l'absorption d'un photon."

"Le fait que le germanium n'absorbe pas bien la lumière est une façon simple de dire que c'est un matériau à bande interdite indirecte, " Smith a ajouté, "et nous essayons de faire un matériau de bande interdite plus direct, celui qui absorbe mieux la lumière."

Selon la littérature de recherche, l'ajout d'étain semble améliorer les propriétés d'absorption de la lumière du germanium. Cependant, les chercheurs du laboratoire Ames ont découvert que même en ajoutant de l'étain, les nanoparticules nécessitaient toujours un revêtement de surface. Mais ils ont également découvert que la relation entre la structure atomique du revêtement de surface et le matériau du noyau peut encore améliorer l'absorption de la lumière.

La méthode spécifique utilisée est appelée Adsorption et Réaction successives de la couche ionique ou « SILAR », qui a été adapté pour la première fois aux colloïdes du groupe IV il y a plusieurs années.

« Nous développons depuis de nombreuses années l'expertise nécessaire pour développer des noyaux/coquilles complexes et d'autres nanoparticules bien définies, " Vela a dit, "Grâce à notre collaboration avec le groupe d'Emily Smith, nous espérons continuer à progresser dans notre capacité à manipuler et à diriger les flux d'énergie à l'échelle nanométrique."

Utilisation de l'imagerie par microscopie électronique à transmission et de la diffraction des rayons X sur poudre pour étudier les caractéristiques structurelles des nanoparticules et des spectroscopies Raman et photoluminescence pour quantifier la déformation du réseau et le comportement de photoluminescence, le groupe a trouvé une corrélation entre la quantité d'étain dans le noyau et à quel point le réseau du noyau correspondait à celui de l'enveloppe extérieure en sulfure de cadmium.

"Les atomes sont dans un endroit très spécifique dans le noyau du nanocristal et lorsque vous appliquez la coque autour du nanocristal, les atomes de la coquille peuvent ne pas correspondre parfaitement avec les atomes du noyau, " Smith a déclaré. "Avec le germanium seul matériau utilisé auparavant, le noyau et la coque ne correspondaient pas parfaitement."

"Quand nous avons étudié les particules de germanium-étain, nous avons proposé qu'ils fonctionnaient mieux parce que l'espacement des atomes correspond mieux à l'espacement des atomes que nous avons utilisés dans la couche de revêtement, " dit-elle. " En faisant cela, vous obtenez une coque plus parfaite qui est moins susceptible de provoquer des changements chimiques à la surface du noyau de la nanoparticule."

Une autre utilisation potentielle de ce matériau, en plus du photovoltaïque, est-ce en microscopie ou en imagerie, les chercheurs ont souvent besoin de « marquer » une protéine ou une autre caractéristique avec une « sonde » à nanoparticules pour l'allumer afin qu'elle soit plus facile à voir et à étudier.

Les résultats de la recherche, "Nanocristaux de noyau/coque de germanium-étain/sulfure de cadmium avec photoluminescence proche infrarouge améliorée, " ont été publiés dans le journal de l'American Chemical Society Chimie des Matériaux .