19 maart 2019
Goedkope kwantumdot-halfgeleider werkt vrijwel perfect
Moderne elektronica in bijvoorbeeld zonnepanelen, camerasensoren en medische beeldapparatuur bevat vaak halfgeleidermateriaal met een doorlopende kristalstructuur, een monokristal. Helaas zijn deze materialen van monokristal erg duur. Kleine nanokristallen, zogenaamde kwantumdots, zijn veel gemakkelijker te maken en dus goedkoper. Ze hebben dan ook hun intrede gedaan op de consumentenmarkt, bijvoorbeeld in kwantumdot-tv's. Nadeel was dat hun kwaliteit lastig was te meten. Onderzoekers van Stanford University, de universiteit van Berkeley en de Technische Universiteit Eindhoven hebben een meetmethode ontwikkeld die dit wel kan. Ze hebben hiermee laten zien dat de kwantumdots het bijzonder goed doen. De resultaten van hun onderzoek zijn deze week gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science.
Een schematische representatie van kwantumdots die het licht uitzenden dat ze hebben geabsorbeerd. Foto: Ella Marushchenko
“Met behulp van deze nieuwe techniek zijn we in staat om goedkope en bijna- perfecte halfgeleiders te maken, die net zo goed zijn als de veel duurdere alternatieven”, zegt Yoeri van de Burgt, universitair docent aan de faculteit van Werktuigbouwkunde van de TU/e, en mede-auteur van het artikel.
De onderzoekers hebben vooral gekeken naar de luminescentie-efficiëntie van kwantumdots: de mate waarin ze licht dat ze hebben opgenomen, weer uitstralen. Dit is een belangrijke indicatie voor de kwaliteit van halfgeleiders. Dat kwantumdots mogelijk erg hoog scoren op dit punt, was al duidelijk geworden bij eerder onderzoek. Maar dit is de eerste meetmethode die overtuigend aantoont dat ze kunnen wedijveren met een monokristal.
Volgens Paul Alivisatos, hoogleraar Nanowetenschap en nanotechnologie aan Berkely en onderzoeksleider, maakt de meettechniek de weg vrij voor nieuwe technologieën en materialen waarbij precieze kennis van de efficiëntie van halfgeleiders een absolute must is.
“Deze nanokristallen zijn zo efficiënt dat je met de oude meetmethoden niet kon meten hoe goed ze zijn. Ons werk is een grote stap voorwaarts”, zegt Alivisatos. “Hiermee zijn in de toekomst toepassingen mogelijk die materialen vergen met een luminescentie-efficiëntie van ruim boven de 99 procent. De meeste daarvan zijn nu nog niet eens uitgevonden”.
Tussen 99 en 100
Kwantumdots zijn heel gemakkelijk te manipuleren. Als je hun omvang wijzigt, verandert ook de golflengte van het uitgestraalde licht. Dat is een nuttige eigenschap bij toepassingen die kleur gebruiken, zoals tv’s, computers en markers voor biologische monsters. Ook zijn ze vanwege hun kleine omvang relatief goedkoop te produceren.
Maar er zijn ook nadelen. Kwantumdots zijn zo klein dat je er miljarden van nodig hebt om het werk te doen van één volmaakt monokristal. En hoe meer kwantumdots je maakt, hoe groter de kans dat er iets misgaat, met alle gevolgen van dien voor de kwaliteit.
Bestaande meettechnieken wezen er al op dat halfgeleiders van kwantumdots mogelijk zeer efficiënt zijn, met een luminescentie-efficiëntie van meer dan 99 procent. Maar de onderzoekers hadden een nieuwe methode nodig om precies te meten hoe efficiënt deze nanokristallen precies zijn.
Daarvoor gebruikten ze een techniek die in plaats van de uitgestraalde lichtdeeltjes de restwarmte meet van aangeslagen kwantumdots. Restwarmte is namelijk een indicatie van niet-efficiënte uitstraling. Deze meetmethode, die gangbaar is bij andere materialen, bleek honderd keer zo precies als andere opties. De onderzoekers ontdekten dat groepjes kwantumdots gemiddeld 99,6 procent van het opgenomen licht weer uitstralen (met een foutmarge van 0,2 procentpunt in beide richtingen). Dat is vergelijkbaar met de emissie van de beste monokristallen.
Anders dan gevreesd, blijken de kwantumdots verrassend robuust te zijn. Bovendien kunnen met de meetmethode voor het eerst de verschillende kwantumdotstructuren met elkaar worden vergeleken.
