Investigadores de la Universidad Hebrea de Jerusalén, Universidad de Stony Brook, y el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han descubierto nuevos efectos de un método importante para modular semiconductores. El método, que funciona creando espacios abiertos o "vacantes" en la estructura de un material, permite a los científicos ajustar las propiedades electrónicas de los nanocristales semiconductores (SCNC), partículas semiconductoras de menos de 100 nanómetros. Este hallazgo impulsará el desarrollo de nuevas tecnologías como ventanas inteligentes, que puede cambiar la opacidad a pedido.

Los científicos utilizan una técnica llamada "dopaje químico" para controlar las propiedades electrónicas de los semiconductores. En este proceso, Se agregan impurezas químicas (átomos de diferentes materiales) a un semiconductor para alterar su conductividad eléctrica. Aunque es posible dopar SCNC, es muy difícil debido a su pequeño tamaño. La cantidad de impurezas agregadas durante el dopaje químico es tan pequeña que para dopar un nanocristal correctamente, no se pueden añadir más de unos pocos átomos al cristal. Los nanocristales también tienden a expulsar impurezas, complicando aún más el proceso de dopaje.

Buscando controlar las propiedades electrónicas de los SCNC con mayor facilidad, Los investigadores estudiaron una técnica llamada formación de vacantes. En este método, no se agregan impurezas al semiconductor; en lugar de, las vacantes en su estructura están formadas por reacciones de oxidación-reducción (redox), un tipo de reacción química en la que se transfieren electrones entre dos materiales. Durante esta transferencia, un tipo de dopaje ocurre cuando faltan electrones, llamados agujeros, ser libre para moverse por toda la estructura del cristal, alterando significativamente la conductividad eléctrica del SCNC.

"También hemos identificado efectos de tamaño en la eficiencia de la reacción de dopaje de formación de vacantes, "dijo Uri Banin, nanotecnólogo de la Universidad Hebrea de Jerusalén. "La formación de vacantes es en realidad más eficiente en SCNC más grandes".

En este estudio, los investigadores investigaron una reacción redox entre nanocristales de sulfuro de cobre (el semiconductor) y yodo, una sustancia química introducida para influir en la reacción redox para que se produzca.

"Si reduce el sulfuro de cobre, sacarás cobre del nanocristal, generando vacantes y por ende huecos, "dijo Anatoly Frenkel, un químico del Laboratorio Nacional de Brookhaven con una cita conjunta con la Universidad de Stony Brook, y el investigador principal de Brookhaven en este estudio.

Los investigadores utilizaron la línea de luz de difracción de rayos X en polvo (XPD) en la Fuente de luz sincrotrón nacional II (NSLS-II), una instalación de usuarios de la Oficina de ciencia del DOE, para estudiar la estructura del sulfuro de cobre durante la reacción redox. Al iluminar sus muestras con rayos X ultrabrillantes, los investigadores pueden determinar la cantidad de cobre que se extrae durante la reacción redox.

Según sus observaciones en NSLS-II, el equipo confirmó que agregar más yodo al sistema provocó que se liberara más cobre y se formaran más vacantes. Esto estableció que la formación de vacantes es una técnica útil para ajustar las propiedades electrónicas de los SCNC.

Todavía, los investigadores necesitaban averiguar qué le estaba sucediendo exactamente al cobre cuando abandonó el nanocristal. Comprender cómo se comporta el cobre después de la reacción redox es crucial para implementar esta técnica en la tecnología de ventanas inteligentes.

"Si el cobre desaparece sin control, no podemos devolverlo al sistema, ", Dijo Frenkel." Pero supongamos que el cobre que se saca del cristal está flotando alrededor, listo para volver a entrar. Al utilizar el proceso inverso, podemos volver a ponerlo en el sistema, y podemos hacer un dispositivo que sea fácil de cambiar de un estado a otro. Por ejemplo, podría cambiar la transparencia de una ventana a pedido, dependiendo de la hora del día o de su estado de ánimo ".

Para entender lo que le estaba pasando al cobre, los investigadores utilizaron espectroscopía de estructura fina de absorción de rayos X (XAFS) en la Fuente de fotones avanzada (APS), también una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, en el Laboratorio Nacional de Argonne. Esta técnica permite a los investigadores estudiar los complejos de cobre extremadamente pequeños que la difracción de rayos X no puede detectar. XAFS reveló que el cobre se combinaba con yodo para formar yodo de cobre, un resultado positivo que indicó que el cobre podría volver a colocarse en el nanocristal y que los investigadores tienen el control total de las propiedades electrónicas.