Các chấm lượng tử xếp thành hàng trở nên dẫn điện cao – Physics World

Các chấm lượng tử xếp thành hàng trở nên dẫn điện cao – Physics World

Dấu thời gian: ngày 26 tháng 2023 năm 4 00:XNUMX sáng

Hình ảnh các nhà nghiên cứu làm việc trong hộp đựng găng tay
Trong phòng thí nghiệm: Tất cả các thí nghiệm đều được thực hiện trong môi trường có kiểm soát (hộp chứa nitơ) vì các đặc tính điện tử của các siêu mạng chấm lượng tử hiện rất nhạy cảm với oxy và độ ẩm. (Được phép: SZ Bisri)

Các tập hợp các chấm lượng tử có xu hướng mất trật tự cao, nhưng khi các mặt của các cấu trúc bán dẫn nhỏ bé này được xếp thành hàng giống như những người lính đang duyệt binh, thì một điều kỳ lạ xảy ra: các chấm trở nên dẫn điện rất tốt. Đây là phát hiện của các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Khoa học vật chất mới nổi RIKEN tại Nhật Bản, người nói rằng các “siêu mạng” gần như hai chiều có trật tự này của các chấm lượng tử có thể giúp phát triển các thiết bị điện tử nhanh hơn và hiệu quả hơn.

Các chấm lượng tử là những cấu trúc bán dẫn giam giữ các electron trong cả ba chiều không gian. Sự giam cầm này có nghĩa là các chấm lượng tử hành xử theo một số cách giống như các hạt lượng tử đơn lẻ mặc dù chúng chứa hàng nghìn nguyên tử và có đường kính lên tới 50 nm. Nhờ các đặc tính giống như hạt của chúng, các chấm lượng tử đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng quang điện tử, bao gồm pin mặt trời, hệ thống hình ảnh sinh học và màn hình điện tử.

Tuy nhiên, có một khó khăn. Tính mất trật tự chung của các tổ hợp chấm lượng tử có nghĩa là các hạt mang điện không chạy qua chúng một cách hiệu quả. Điều này làm cho tính dẫn điện của chúng kém và các kỹ thuật tiêu chuẩn để thiết lập trật tự không giúp được gì nhiều. “Mặc dù thứ tự lắp ráp có thể được cải thiện, nhưng chúng tôi thấy rằng như vậy là chưa đủ,” anh nói Satria Zulkarnaen Bisri, người đứng đầu nghiên cứu RIKEN và hiện là phó giáo sư tại Đại học Nông nghiệp và Công nghệ Tokyo.

Một cái nhìn mới về các chấm lượng tử

Bisri giải thích rằng để cải thiện độ dẫn của các chấm lượng tử, chúng ta cần xem xét chúng theo một cách khác – không phải là các vật thể hình cầu, như trường hợp hiện tại, mà là các khối vật chất với một bộ các đặc tính tinh thể duy nhất được thừa hưởng từ cấu trúc tinh thể phức hợp của chúng. . Ông nói: “Tính đồng nhất về hướng của các chấm lượng tử cũng rất quan trọng. “Hiểu được điều này cho phép chúng tôi hình thành một cách để kiểm soát sự lắp ráp của các chấm lượng tử bằng cách điều chỉnh sự tương tác giữa các mặt của các chấm lượng tử lân cận.”

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra các tổ hợp chấm lượng tử, hay siêu mạng, bằng cách tạo ra cái gọi là phim Langmuir. Bisri mô tả quá trình này giống như nhỏ giọt dầu trên mặt nước và để nó lan rộng thành một lớp rất mỏng. Trong thí nghiệm của họ, “dầu” là các chấm lượng tử, trong khi “nước” là dung môi giúp các chấm kết nối với nhau một cách chọn lọc, thông qua các mặt nhất định, để tạo thành một lớp đơn lớp có trật tự hoặc siêu mạng.

Bisri nói: “Các đặc tính tốt của siêu mạng đơn lớp này là trật tự quy mô lớn và định hướng nhất quán của các khối xây dựng chấm lượng tử giảm thiểu các rối loạn năng lượng trong suốt quá trình lắp ráp. Thế giới vật lý. “Điều này cho phép kiểm soát chính xác hơn các thuộc tính điện tử của các dấu chấm.”

Ở mức độ pha tạp cao hơn, quá trình vận chuyển điện tích từ chấm lượng tử này sang chấm lượng tử khác không còn bị chi phối bởi quá trình vận chuyển nhảy
Hopping so với vận chuyển được định vị. Phép lịch sự: SZ Bisri

Các nhà nghiên cứu của RIKEN phát hiện ra rằng họ có thể làm cho hệ thống của mình dẫn điện gấp một triệu lần so với các tập hợp các chấm lượng tử không được kết nối epitaxy theo cách này. Bisri giải thích rằng sự gia tăng độ dẫn điện này có liên quan đến sự gia tăng mức độ pha tạp của các hạt mang điện trong hệ thống. Ở mức độ pha tạp cao hơn này, sự vận chuyển điện tích từ một chấm lượng tử này sang một chấm lượng tử khác không còn bị chi phối bởi quá trình vận chuyển nhảy vọt (như xảy ra trong chất cách điện), mà bởi một cơ chế vận chuyển được định vị thông qua các băng tần nhỏ điện tử – “giống như những gì sẽ xảy ra trong vật liệu kim loại ,” Bisri nói.

Các thiết bị điện tử nhanh hơn và hiệu quả hơn

Bisri cho biết thêm, tính dẫn điện cao và hành vi kim loại trong các chấm lượng tử keo bán dẫn có thể mang lại những lợi thế đáng kể cho các thiết bị điện tử, giúp phát triển các bóng bán dẫn, pin mặt trời, nhiệt điện, màn hình và cảm biến (bao gồm cả bộ tách sóng quang) nhanh hơn và hiệu quả hơn. Các vật liệu này cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu các hiện tượng vật lý cơ bản như các trạng thái tô pô và tương quan mạnh.

Các nhà nghiên cứu hiện có kế hoạch nghiên cứu các hợp chất chấm lượng tử khác. Bisri tiết lộ: “Chúng tôi cũng muốn đạt được hành vi kim loại tương tự hoặc thậm chí tốt hơn bằng cách sử dụng các phương tiện khác ngoài việc pha tạp do điện trường gây ra.

Họ trình bày chi tiết công việc hiện tại của họ trong Nature Communications.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý