El Azufre extra mejora la estructura electrónica de los puntos cuánticos

Por Andrea RA

(Última Actualización: marzo 10, 2018)

Publicado a las 03:44 PM CST en Oct 01,2017 | Actualizado a las 03:44 PM CST en Oct 01,2017


Los puntos cuánticos son partículas semiconductoras de tamaño nanométrico con aplicaciones potenciales en células solares y electrónica. Científicos de la Universidad de Groningen y sus colegas de ETH Zurich han descubierto ahora cómo aumentar la eficiencia de la conductividad de carga en los puntos cuánticos del azufre de plomo. Sus resultados se han publicado en la revista Science Advances el 29 de septiembre.

Los puntos cuánticos son grupos de unos 1.000 átomos que actúan como un enorme «super-atomo». Los puntos, que se sintetizan como coloides, es decir, se suspenden en un líquido como una especie de pintura, se pueden organizar en láminas delgadas con sencillas técnicas de procesamiento basadas en soluciones. Estas finas láminas pueden convertir la luz en electricidad. Sin embargo, los científicos han descubierto que las propiedades electrónicas son un cuello de botella.

«Especialmente la conducción de agujeros, la contrapartida positiva de los electrones cargados negativamente», explica Daniel Balazs, estudiante de doctorado en el grupo de fotofísica y optoelectrónica de la profesora Maria A. Loi en el Instituto de Materiales Avanzados de la Universidad de Groningen Zernike.

Dra. Maria Antonietta Loi de la Universidad de Groningen. Crédito: Sylvia Germes

Estequiometría

El grupo de Loi trabaja con los puntos cuánticos de sulfuro de plomo. Cuando la luz produce un par electrón-agujero en estos puntos, el electrón y el agujero no se mueven con la misma eficiencia a través del ensamblaje de los puntos. Cuando el transporte de cualquiera de los dos está limitado, los agujeros y electrones pueden recombinarse fácilmente, lo que reduce la eficiencia de la conversión luz-energía. Balazs, por lo tanto, se propuso mejorar la pobre conductancia de los agujeros en los puntos cuánticos y encontrar un conjunto de herramientas para hacer que esta clase de materiales sea sintonizable y multifuncional.

«La raíz del problema es la estequiometría de plomo y azufre», explica.

En los puntos cuánticos, casi la mitad de los átomos están en la superficie del super-atomo. En el sistema plomo-azufre, los átomos de plomo llenan preferentemente la parte exterior, lo que significa una proporción de plomo a azufre de 1:3 en lugar de 1:1. Este exceso de plomo hace que este punto cuántico sea un mejor conductor de electrones que los agujeros.

Láminas delgadas

En el material a granel, el transporte se mejora generalmente «dopando»el material: añadiendo pequeñas cantidades de impurezas. Sin embargo, los intentos de añadir azufre a los puntos cuánticos han fracasado hasta ahora. Pero ahora, Balazs y Loi han encontrado una forma de hacerlo y así aumentar la movilidad de los agujeros sin afectar a la movilidad del electrón.

Muchos grupos han intentado combinar la adición de azufre con otras fases de producción. Sin embargo, esto causó muchos problemas, como la interrupción del ensamblaje de los puntos en la película fina. En su lugar, Balazs primero produjo películas finas y luego agregó azufre activado. Los átomos de azufre se añadieron con éxito a la superficie de los puntos cuánticos sin afectar a las otras propiedades de la película. «Un análisis cuidadoso de los procesos químicos y físicos durante el ensamblaje de las películas de punto cuántico y la adición de azufre adicional fueron necesarios para obtener este resultado. Por eso nuestro grupo, con la colaboración de nuestros colegas de química de Zúrich, tuvo éxito al final».

Dispositivos

El equipo de Loi puede ahora añadir diferentes cantidades de azufre, lo que les permite afinar las propiedades eléctricas de los ensamblajes super-atomo. «Ahora sabemos que podemos mejorar la eficiencia de las células solares de punto cuántico por encima del récord actual del 11 por ciento. El siguiente paso es mostrar que este método también puede hacer otros tipos de dispositivos funcionales como los termoeléctricos». Subraya las propiedades únicas de los puntos cuánticos: actúan como un átomo con propiedades eléctricas específicas. «Y ahora podemos ensamblarlos y diseñar sus propiedades eléctricas como queramos. Eso es algo imposible con los materiales a granel y abre nuevas perspectivas para los dispositivos electrónicos y optoelectrónicos».

Referencias :

advances.sciencemag.org | Stoichiometric control of the density of states in PbS colloidal quantum dot solids

phys.org | Extra sulphur improves electronic structure of quantum dots

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