Нанокристаллы из полупроводниковых материалов, известные как квантовые точки, испускают яркое и монохроматическое излучение при возбуждении светом или электрическим напряжением. Ряд специалистов по материаловедению уже создали прототипы дисплеев, в которых квантовые точки играют роль светоизлучающих диодов.

Результаты нового исследования позволяют говорить, что природа кристаллической решетки внутри структуры определенных квантовых точек определяет эффективность испускания квантовой точке фотонов вследствие ее возбуждения. Это обстоятельство позволяет использовать изменение строения кристаллической решетки квантовых точек для увеличения эффективности квантовых точек, интегрированных в светоизлучающие диоды.

Одним популярным типом квантовых точек являются частицы, ядро которых состоит из полупроводника одного типа, окруженного оболочкой из другого полупроводника. Квантовые точки с тонкими оболочками отличаются большим квантовым выходом, шансом испустить фотон в результате возбуждения. Хотя некоторые типы тонкооболочечных частиц отличаются квантовым выходом, практически достигающим 100%, они могут терять эффективность при их интеграции в устройство, что понижает их перспективы на коммерциализацию. Наночастицы с толстыми оболочками демонстрируют меньшие квантовые выходы, однако их эффективность не понижается при внедрении таких квантовых точек в устройства. Таким образом, исследователи, которые пытаются разработать более эффективные устройства на основе квантовых точек, пытаются повысить квантовый выход толстооболочечных квантовых точек.



Колбы, содержащие суспензии квантовых точек, светятся при облучении светом с длиной волны 400 нм. Находящиеся в крайнем левом положении, квантовые точки на основе селенида кадмия испускают зеленое излучение, добавка оболочки из сульфида кадмия, толщина которой увеличивается, приводит к изменению цвета и интенсивности эмиссионного излучения.

Ранджани Вишваната (Ranjani Viswanatha) с коллегами решила изучить, как кисталлическая структура квантовых точек влияет на их квантовые выходы. Было изучено большое количество квантовых точек из селенида кадмия (CdSe), упакованного в оболочку из сульфида кадмия (CdS). Поскольку между структурами CdSe и CdS не существует идеального соответствия, как правило существует четкая граница между ядром и оболочкой этих частиц. Проведенные ранее расчеты позволяли предположить, что более плавный переход между ядром и оболочкой должен привести к росту квантового выхода. Вишваната решила модифицировать поверхность ядер квантовых точек из селенида кадмия для увеличения их квантового выхода.

Модификации строения квантовых точек достигались за счет контролированного формирования дефектов в их ядре, что приводило к более грубому строению поверхности ядра. Этого удавалось добиться за счет применения лигандов в процессе синтеза ядра на основе CdSe.

Неожиданно, но ядра с большим количеством дефектов более эффективно связывались с оболочкой, что однозначно приводило к образованию более эффективных квантовых точек. Как отмечает Вишваната – самый пожалуй неожиданный результат исследования заключался в том, что самое плохое ядро позволяло сформировать самую хорошую оболочку. Дефекты ядра приводили к тому, что квантовые выходы нанокристаллов составляли около 94%, в то время как квантовый выход квантовых точек с ровным ядром и более резким переходом ядро/оболочка демонстрировали выходы только в 40%.

Сет Коу-Салливан (Seth Coe-Sullivan), специалист по физическим свойствам квантовых точек, отмечает, что группа Вишванаты получили ценную информацию о том, что внутренняя структура квантовых точек влияет на их светоизлучающие свойства. По его словам, зависимость свойств квантовых точек от их строения на настоящее время изучена гораздо в меньшей степени, чем она это заслуживает.