A. Jolene Mork, un estudiante graduado de quinto año del MIT en química, y Mark C. Weidman, un estudiante graduado de cuarto año en ingeniería química del MIT, trabajar con una serie de espejos y lentes acoplados a un láser que dirige un haz de luz a un microscopio (no se muestra) para llevar a cabo experimentos de espectroscopía de fotoluminiscencia resuelta en el tiempo en el Laboratorio Tisdale del MIT. Crédito:Denis Paiste / Centro de procesamiento de materiales
Los nanocristales de sulfuro de plomo adecuados para células solares tienen una proporción de átomos de plomo a azufre de casi uno a uno, pero los investigadores del MIT descubrieron que para hacer puntos cuánticos de tamaño uniforme, una proporción más alta de precursores de plomo y azufre (24 a 1) es mejor.
El estudiante graduado de ingeniería química del MIT, Mark C. Weidman, desarrolló la receta sintética en el laboratorio de William A. Tisdale, el profesor Charles and Hilda Roddey Career Development en Ingeniería Química en el MIT, con colegas Ferry Prins, Rachel S. Hoffman y la becaria de verano de 2013 Megan Beck. La uniformidad de tamaño puede promover longitudes largas de difusión de excitones en películas de puntos cuánticos de sulfuro de plomo (PbS), Dice Weidman.
Por lo general, los puntos cuánticos se sintetizan como coloide, con partículas suspendidas en un líquido. Si los puntos cuánticos son todos del mismo tamaño, pueden autoensamblarse en una celosía ordenada. "Si son lo suficientemente monodispersas, es el estado termodinámicamente favorecido, "Explica Weidman.
Confirmó la monodispersidad de sus películas con microscopía electrónica de transmisión y electrónica de barrido. Weidman también viajó a la fuente de luz del sincrotrón nacional en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Long Island, NUEVA YORK., para realizar estudios de dispersión de rayos X de ángulo pequeño con incidencia rasante (GISAXS) y dispersión de rayos X de gran angular (WAXS) de sus películas delgadas.
"Mark y Megan pudieron hacer extremadamente monodispersos, monodispersidad sin precedentes en este tipo particular de nanocristal, sulfuro de plomo, "Dice Tisdale. Weidman desentrañó el mecanismo para el tamaño y la estructura uniformes.
El estudiante graduado de ingeniería química Mark Weidman caracterizó la formación de superredes de nanocristales de sulfuro de plomo (PbS). Se muestran micrografías SEM de películas de puntos cuánticos (QD) con recubrimiento giratorio hechas a partir de las QD de gran diámetro (desde la parte superior izquierda), a) vista superior de un plano BCC (110) expuesto; b) vista superior de un plano BCC (100) expuesto; c) película con discontinuidad que muestra el espesor medio de aproximadamente 15 nanocristales; yd) vista de horizonte de una superrejilla QD con borde expuesto. Crédito:Mark C. Weidman
Weidman, que espera terminar su doctorado en el MIT en 2016, está interesado en el sulfuro de plomo debido a sus usos para las células solares. "En algo así como una película de sulfuro de plomo que se utiliza para energía fotovoltaica, para celdas solares, en ese caso, desea que sus puntos cuánticos absorban la luz. Pero entonces no quieres que se vuelva a emitir. Quieres tomar ese electrón y ese agujero y básicamente sacarlos de la película, llévelos a un circuito externo. Entonces, desea maximizar la difusión en su película; desea que sea muy fácil retirar este par de electrones y huecos y desea una vida útil prolongada de ese par de electrones y huecos para que tenga mucho tiempo para que deambule por la película y se extraiga, "Dice Weidman.
"Esperamos encontrar formas de aumentar mejor la eficiencia de las células solares haciendo que sus longitudes de difusión en películas de sulfuro de plomo sean mucho más largas, y de esa manera es más fácil extraer los portadores de carga de la película ".
La longitud de difusión se refiere al proceso de movimiento de los excitones (pares de electrones y huecos con carga opuesta), o "saltando, "del punto cuántico al punto cuántico, o de puntos cuánticos a un material vecino. Tanto la distancia que recorren los excitones como su vida útil afectan las aplicaciones potenciales. Weidman fue coautor de un estudio colaborativo entre los profesores Tisdale, Vladimir Bulovic, y Adam Willard de difusión en sólidos de puntos cuánticos, que midió la vida útil de los excitones y modeló las longitudes de difusión de los excitones. La estudiante de posgrado A. Jolene Mork ayudó en la preparación de muestras y en las mediciones de espectroscopía transitoria.
Para ese estudio, Weidman realizó análisis y microscopía electrónica utilizando herramientas de procesamiento de imágenes y programación MATLAB para determinar la separación, o distancia física, entre puntos cuánticos en la película. Los puntos cuánticos del núcleo de seleniuro de cadmio con una capa de azufre de zinc y cadmio promediaron distancias de centro a centro de aproximadamente 7,9 nanómetros de distancia. "Lo que aprendimos es que desea hacer que la distancia de centro a centro sea lo más pequeña posible para tener una longitud de difusión más larga, para maximizar su longitud de difusión, "Dice Weidman.
El estudiante de posgrado Mark Weidman y sus colegas han demostrado cómo sintetizar nanocristales de sulfuro de plomo de tamaño uniforme. Crédito:Denis Paiste / Centro de procesamiento de materiales
Los puntos cuánticos también se valoran por su propiedad de cambiar de color a medida que cambian de tamaño, que está ligado a su banda prohibida cambiante. Para tener un color uniforme, tienes que tener un tamaño constante entre un conjunto de puntos cuánticos. La colega del grupo Tisdale Elizabeth M.Y. (Liza) Lee simuló variaciones de tamaño en la película de puntos cuánticos para el estudio, Observa Weidman. "Este artículo muestra prácticamente que se puede controlar cuánta difusión energética se produce en las películas de puntos cuánticos ajustando qué tan cerca están físicamente, " el explica.
"La otra gran implicación de este artículo es que, por lo que vimos en algunas de las simulaciones, algún desorden energético puede ser bueno en estas películas para hacer rodar la bola sobre la difusión de energía. Si tiene algunas variaciones de tamaño y eso le da variaciones de energía, entonces, cuando emocionas esta película, y obtienes esta población de puntos cuánticos excitados, entonces algunos de ellos son de mayor energía que otros, algunos de ellos son energías más bajas, así que, naturalmente, los excitones que están en los puntos cuánticos de mayor energía encontrarán el sitio de menor energía, y eso es difusión de energía. Por lo tanto, una pequeña variación de tamaño puede ayudar a acelerar ese proceso, ", Dice Weidman." Si lo considera un paisaje montañoso, tienes estos excitones que están en la cima de la colina, y encuentran una manera de bajar rodando hasta el pie de la colina, mientras que si tuvieras una película completamente homogénea y plana en energía, entonces no se inicia la difusión de energía tan rápidamente ".
Weidman es el autor principal de un Química de Materiales documento que investigó y caracterizó más a fondo la formación de superredes de nanocristales de sulfuro de plomo. "Podemos hacer superredes de largo alcance en las que no solo se ordenan los puntos cuánticos, pero sus planos atómicos también están alineados, "Weidman explica." También descubrimos que podemos cambiar la especie de ligando en la superficie de nuestros puntos cuánticos, una excelente manera de modificar las propiedades de la película, a especies más compactas y funcionales sin alterar la disposición de la superrejilla ". Actualmente está investigando el transporte de energía a largas distancias en materiales infrarrojos, que podría ser aplicable a las células solares.
Weidman, un graduado de 26 años de la Universidad de Delaware, proviene originalmente de Haddonfield, N.J. Después de completar su doctorado en MIT, planea conseguir un trabajo en la industria. "Me gustaría seguir trabajando con nanomateriales, ", dice." Creo que es un área muy emocionante ".
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
