Naukowcy z Laboratorium Badawczego Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych zidentyfikowali nową klasę nanokryształów półprzewodnikowych z jasnymi ekscytonami stanu podstawowego, co może zrewolucjonizować urządzenia emitujące światło. Ich badania, obejmujące zaawansowane modelowanie i współpracę, pozwoliły zidentyfikować materiały emitujące światło w szerokim spektrum, co stanowi obiecujący postęp w dziedzinie diod LED, ogniw słonecznych i fotodetektorów. Ten przełom ma na celu rozwiązanie problemu ciemnego ekscytonu i stymulowanie dalszych badań nad nanostrukturami jasnego ekscytonu.
Naukowcy z NRL odkryli nowe nanokryształy półprzewodnikowe z jasnymi ekscytonami stanu podstawowego, co potencjalnie rewolucjonizuje urządzenia emitujące światło i rozwiązuje problem ciemnych ekscytonów.
Naukowcy z Laboratorium Badawczego Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych (NRL) potwierdzili identyfikację nowej klasy nanokryształów półprzewodnikowych z jasnymi ekscytonami stanu podstawowego. Ten znaczący postęp w optoelektronice został niedawno opublikowany w czasopiśmie American Chemical Society (ACS), ACS Nano.
Przełomowe badania teoretyczne mogą zrewolucjonizować rozwój wysoce wydajnych urządzeń emitujących światło i innych technologii.
Ogólnie rzecz biorąc, ekscyton o najniższej energii w nanokryształach słabo emituje, przez co zyskał miano „ciemnego” ekscytonu. Ponieważ spowalnia emisję światła, ciemny ekscyton ogranicza działanie urządzeń opartych na nanokryształach, takich jak lasery lub diody elektroluminescencyjne (LED). Naukowcy od dawna starali się przezwyciężyć ciemny ekscyton.
„Postanowiliśmy znaleźć nowe materiały, w których kolejność ekscytonów jest odwrócona, tak aby ekscyton o najniższej energii był jasny” – powiedział dr John Lyons z Sekcji Teorii Zaawansowanych Materiałów Funkcjonalnych. „Przeszukując bazy danych materiałów o otwartym kodzie źródłowym, korzystając z kryteriów opartych na naszym modelowaniu teoretycznym, zidentyfikowaliśmy ponad 150 celów. Jeszcze bardziej zawęziliśmy tę listę, korzystając z zaawansowanych obliczeń opartych na pierwszych zasadach, i ostatecznie otrzymaliśmy 28 kandydatów na nanomateriały o jasnym ekscytonie”.
Michael Swift (po lewej), doktor, fizyk badawczy z Laboratorium Badań Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych (NRL); John Lyons (w środku), doktor nauk fizycznych, naukowiec NRL; i dr Alexander Efros, starszy naukowiec z NRL, zbierają się do zdjęcia grupowego w ośrodku nauki i technologii materiałów w Waszyngtonie, DC, 25 lipca 2024 r. Zespół wykorzystuje teorię i symulację, aby zrozumieć, ulepszyć i opracować materiały znaczenie morskie. Źródło: zdjęcie marynarki wojennej USA wykonane przez Sarah Peterson
Obiecujący kandydaci na nanomateriały o jasnym ekscytonie
Bardziej szczegółowe modelowanie tych materiałów wskazuje, że co najmniej cztery mogą dać jasne ekscytony stanu podstawowego w nanokryształach. „To odkrycie, dokonane we współpracy z profesorem Davidem Norrisem z Federalnego Instytutu Technologii (ETH) w Zurychu i doktorem Peterem Sercelem z Centrum Hybrydowych Organiczno-Nieorganicznych Półprzewodników Energii (CHOISE), może utorować drogę na rozwój ultrajasnych i wysoce wydajnych urządzeń emitujących światło, laserów i innych technologii” – powiedział Lyons.
Doktor Alexander Efros, starszy naukowiec w dziale Inżynierii Materiałowej i główny autor artykułu, omówił implikacje badań. „W naszych badaniach zidentyfikowaliśmy kilka materiałów o jasnych ekscytonach, które mogą emitować światło w szerokim spektrum, od podczerwieni po ultrafiolet” – powiedział Efros. „Ta wszechstronność sprawia, że są one bardzo przydatne w zastosowaniach optoelektronicznych. Możliwość konstruowania nanokryształów o jasnych stanach ekscytonowych w tak szerokim zakresie otwiera nowe możliwości tworzenia lepszych i bardziej wydajnych diod LED, ogniw słonecznych i fotodetektorów”.
Naukowcy z NRL mają nadzieję pobudzić dużą społeczność nanomateriałów do ataku na nanostruktury jasnego ekscytonu, czyli obszaru, który zbyt długo pozostawał w martwym punkcie, rozwiązując problem ciemnego ekscytonu. Obecnie trzy z tych materiałów są hodowane w NRL w ramach inicjatywy Bright Nanocrystal Emitters w ramach programu Instytutu Nanonauki, której celem jest ostateczne wykazanie zachowania jasnych ekscytonów w laboratorium i wykorzystanie ich w przyszłych technologiach morskich.
„Nasze odkrycia pokazują siłę łączenia wysokowydajnych badań przesiewowych obliczeniowych, teorii pióra i papieru orazdokładność obliczenia struktury elektronowej” – powiedział dr Michael Swift. „Żadna technika sama w sobie nie byłaby wystarczająca, ale razem odkryliśmy nowe ultrajasne nanokryształy i uwolniliśmy moc jasnego ekscytonu w niezbadanych klasach materiałów”.
Zakład Teorii Zaawansowanych Materiałów Funkcjonalnych prowadzi badania podstawowe i stosowane w zakresie systemów materiałów funkcjonalnych, strukturalnych, biologicznych i elektronicznych. Sekcja jest pionierem nowych metod symulacji materiałów i systemów, w tym autorskiego rozwoju technik obliczeniowych i teoretycznych, modyfikacji istniejących podejść i zastosowania ustalonych metodologii do nowych materiałów i obszarów. Celem Sekcji jest wykorzystanie teorii i symulacji do zrozumienia, udoskonalenia i opracowania materiałów o obecnym i przyszłym znaczeniu dla marynarki wojennej.
Odniesienie: „Identyfikacja nanokryształów półprzewodnikowych za pomocą jasnych ekscytonów stanu podstawowego”, Michael W. Swift, Peter C. Sercel, Alexander L. Efros, John L. Lyons i David J. Norris, 22 lipca 2024 r., ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.4c02905
