(Phys.org) —La guinda del pastel para los nanocristales semiconductores que proporcionan un efecto optoelectrónico no amortiguado puede existir como una capa de estaño que se segrega cerca de la superficie.

Un método para alterar las propiedades eléctricas de un semiconductor es mediante la introducción de impurezas llamadas dopantes. Un equipo dirigido por Delia Milliron, químico de la fundición molecular de Berkeley Lab, un centro nacional de nanociencia del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), ha demostrado que tan importante como la cantidad de dopante es cómo se distribuye el dopante en la superficie y en todo el material. Esto abre la puerta para diseñar la distribución del dopante con el fin de controlar qué longitud de onda absorberá el material y, de manera más general, cómo interactúa la luz con los nanocristales.

"El dopaje en nanocristales semiconductores sigue siendo un arte en evolución, ", dice Milliron." Sólo en los últimos años la gente ha comenzado a observar propiedades ópticas interesantes como resultado de la introducción de dopantes en estos materiales, pero la forma en que se distribuyen los dopantes dentro de los nanocristales sigue siendo en gran parte desconocida. Los sitios que ocupan y dónde se encuentran en todo el material influyen en gran medida en las propiedades ópticas ".

El reclamo más reciente de Milliron a la fama, una tecnología de "ventana inteligente" que no solo bloquea la radiación infrarroja (IR) natural y al mismo tiempo permite el paso de la luz visible a través del vidrio con revestimiento transparente, pero también permite un control independiente sobre ambos tipos de radiación, se basa en un semiconductor dopado llamado óxido de indio y estaño (ITO).

ITO, en el que el estaño (el dopante) ha reemplazado algunos de los iones de indio en el óxido de indio (el semiconductor), se ha convertido en el prototipo de material nanocristalino semiconductor dopado. Se utiliza en todo tipo de dispositivos electrónicos, incluyendo pantallas táctiles, ventanas inteligentes y celdas solares.

"Lo interesante de esta clase de materiales es que los dopantes pueden introducir electrones libres que se forman a alta densidad dentro del material, lo que los hace conductores y, por lo tanto, útiles como conductores transparentes, "dice Milliron

Pero los mismos electrones hacen que los materiales sean plasmónicos en la parte IR del espectro. Esto significa que la luz de longitud de onda IR puede resonar con electrones libres en el material:los campos eléctricos oscilantes en la luz resuenan y pueden causar absorción.

"[Estos materiales] pueden absorber la luz infrarroja de una manera que se puede sintonizar ajustando el dopaje, sin dejar de ser transparente a la luz natural visible. Una cantidad ajustable de absorción de luz IR le permite controlar la calefacción. Para nosotros, esa es la aplicación de conducción, "explica Milliron.

Hasta ahora, Se han realizado ajustes cambiando la cantidad de dopante en el semiconductor. Desconcertado por estudios en los que las propiedades ópticas no se comportaron como se esperaba, Milliron y el candidato a doctorado de la Universidad de California (UC) en Berkeley, Sebastien Lounis, utilizaron la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X para sondear electrones cerca de la superficie de las muestras de ITO e investigar la distribución de elementos dentro de las muestras en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL).

El SSRL utiliza un haz de fotones sintonizable para excitar electrones dentro del material. Si los electrones están lo suficientemente cerca de la superficie, a veces pueden ser emitidos y recogidos por un detector. Estos electrones proporcionan información sobre las propiedades del material, incluyendo la relación de las cantidades de diferentes elementos como indio y estaño en ITO. El aumento de la energía del haz de rayos X muestra cómo cambia la composición del estaño y el indio a medida que uno se adentra más en la muestra. Por último, la técnica de espectroscopía permitió a Milliron y su equipo probar la distribución del dopaje en función de la distancia desde la superficie de los nanocristales.

Los estudios de dos conjuntos de muestras les permitieron correlacionar la distribución del estaño con las propiedades ópticas, y mostró que la forma y la longitud de onda de la absorción del plasmón dependían de la distribución del estaño. El estaño segregado en la superficie mostró una activación reducida de dopantes y resonancias de plasmón simétricas, sin amortiguación causada por los dopantes.

"Cuando la lata se asienta cerca de la superficie, interactúa solo débilmente con la mayoría de los electrones libres, ", explica Lounis. Esto nos da los beneficios del dopaje sin algunos inconvenientes".

"Ahora que sabemos cómo sondear, podemos buscar características de diseño específicas para aplicaciones particulares, "concluye Milliron. La colocación deliberada de dopantes por diseño proporciona una nueva herramienta para" marcar en materiales plasmónicos para hacer exactamente lo que queremos en términos de interacción con la luz ".

Se ha aceptado un artículo sobre esta investigación para su publicación en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense ( JACS ) en abril de 2014. El artículo se titula "La influencia de la distribución de dopantes en las propiedades plasmónicas de los nanocristales de óxido de indio y estaño" con Lounis como autor principal y Milliron como autor correspondiente. Otros autores son Evan Runnerstorm, Amy Bergerud, y Dennis Nordlund.