Los puntos cuánticos (que se muestran aquí disueltos en líquido bajo luz ultravioleta) ofrecen perspectivas tentadoras para nuevas tecnologías si los científicos pueden evitar que parpadeen. Crédito:Antipoff, CC BY-SA 3.0
Los puntos cuánticos son nanopartículas de semiconductores que se pueden ajustar para brillar en un arco iris de colores. Desde su descubrimiento en la década de 1980, estas notables nanopartículas han ofrecido perspectivas tentadoras para todo tipo de nuevas tecnologías, que van desde materiales de iluminación pintados y células solares hasta chips de computadora cuántica, marcadores biológicos, e incluso láseres y tecnologías de la comunicación.
Pero hay un problema:los puntos cuánticos a menudo parpadean.
Esta "intermitencia de fluorescencia, "como lo llaman los científicos, ha puesto un freno a muchas aplicaciones potenciales. Los láseres y las puertas lógicas no funcionarán muy bien con fuentes de luz dudosas. Los puntos cuánticos pueden absorber colores específicos de luz, también, pero usarlos para recolectar luz solar en energía fotovoltaica aún no es muy eficiente, debido en parte a los mecanismos detrás del parpadeo.
Científicos de la Universidad de Chicago que computan en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) del Departamento de Energía investigaron recientemente el misterioso proceso de parpadeo en puntos cuánticos de silicio utilizando simulaciones. Sus resultados, publicado en la edición del 28 de febrero de Nanoescala , acercar a los científicos un paso más a la comprensión, y posiblemente a remediar, el problema.
El increíble punto cuántico
Puntos cuánticos, conocidos como nanocristales, nanopartículas y nanodots:poseen algunas propiedades beneficiosas de las que carecen sus contrapartes a granel.
Emociona un punto cuántico y brilla intensamente con un color de luz específico. Varíe el ancho en unos pocos átomos y puede ajustarlo para que brille en diferentes colores:cuanto más pequeño es el punto, cuanto más azul es la luz. Cuanto más grande sea el punto, el más rojo. Los puntos cuánticos también se pueden ajustar para absorber longitudes de onda específicas de luz, una propiedad útil para las células solares.
En comparación, la estructura molecular de los semiconductores a granel determina (y limita) los colores de la luz (o energías) emitidas y absorbidas. Entonces, un diodo emisor de luz (LED) hecho de un material puede brillar en verde mientras que otro se ilumina en rojo. Para conseguir diferentes colores debes utilizar diferentes materiales. Células solares, igualmente, use capas de diferentes materiales para capturar varias longitudes de onda de luz.
Entonces, ¿Por qué un nanocristal de semiconductor se comporta de manera tan diferente a una red más grande del mismo material? En una palabra:tamaño. Fabricado artificialmente para contener solo un puñado de átomos, los puntos cuánticos son tan pequeños que existen en la zona crepuscular entre la física newtoniana y la cuántica, a veces obedeciendo un conjunto de reglas, a veces el otro, a menudo con un efecto sorprendente.
Solo un puñado de átomos de ancho los puntos cuánticos pueden iluminar las estructuras biológicas más pequeñas, como las células cancerosas. Todavía, brillan más y duran más que los tintes fluorescentes actuales y se pueden sintetizar para que brillen con diferentes colores agregando o restando algunos átomos en lugar de usar diferentes materiales. Crédito:Nicholas P. Brawand
Mientras que los cristales de los semiconductores a granel pueden perder y recuperar electrones (así es como conducen una carga), los electrones de un punto cuántico están confinados dentro del punto. Este estado se llama confinamiento cuántico. Cuando los electrones de un punto cuántico interactúan con la luz, pueden experimentar una transición y "saltar" (cuántico-mecánicamente) a un estado que en condiciones normales está desocupado. La energía asociada con el salto más pequeño se llama brecha. La brecha es, por lo tanto, el exceso de energía que pueden desprender los electrones, idealmente como luz (o en el caso de la energía fotovoltaica, portadores) al bajar a un estado de menor energía. Como resultado, el radio del material define la energía que estos puntos pueden absorber y emitir.
Parpadeo problemático
Puntos cuánticos, sin embargo, tienden a parpadear. El parpadeo no es aleatorio (obedece a una "ley de potencia"), pero tampoco es predecible. Por lo tanto, las partículas individuales pueden oscurecerse solo durante nanosegundos o permanecer oscuras durante minutos seguidos o algún intervalo intermedio.
Los científicos tienen algunas ideas sobre las causas del parpadeo, pero aún no entiendo exactamente cómo funciona, dijo Márton Vörös, investigador postdoctoral de la Universidad de Chicago y coautor del estudio.
"Existe la idea de que los defectos superficiales, por ejemplo, un enlace colgante en la superficie de un nanocristal, puede atrapar electrones y causar este cambio entre estados brillantes y oscuros, ", dijo Vörös, quien realizó los cálculos en NERSC. Hay bastantes modelos microscópicos ya presentados por otros grupos que se basan en defectos, pero aún falta una comprensión completa".
La carga importa
Para estudiar parpadear El equipo utilizó nanopartículas de silicio (Si) simuladas configuradas con varios defectos y recubiertas con dióxido de silicio. Comenzando con tres posibles estados de defecto diferentes, utilizaron la supercomputadora Hopper (una Cray XE6) para calcular las propiedades ópticas y electrónicas de la nanopartícula de silicio oxidado con el paquete científico llamado Quantum Espresso.
Para realizar sus cálculos, el equipo primero construyó modelos virtuales. Esculpieron computacionalmente agujeros virtuales en un óxido de silicio cristalino (SiO 2 ) matriz y puntos cuánticos de silicio insertados de varios tamaños, Ciclos de cálculo de recocido y enfriamiento para crear una interfaz más realista entre los puntos cuánticos y el SiO. 2 matriz. Finalmente, Los defectos de enlaces colgantes se introdujeron en la superficie de los puntos cuánticos mediante la eliminación de algunos átomos seleccionados.
En esta ilustración, Los puntos cuánticos de silicio se muestran en varios estados de "parpadeo". Los cristales "encendidos" emiten luz (representada por un punto blanco) cuando un electrón excitado arroja el exceso de energía en forma de fotón. Los cristales "apagados" son oscuros, porque sus electrones (amarillos) están atrapados en defectos superficiales y desvían energía a través de otros caminos, como el calor o las vibraciones de celosía. Crédito:Peter Allen, Instituto de Ingeniería Molecular, Universidad de Chicago
Calculando las propiedades electrónicas y la velocidad a la que los electrones liberan energía, descubrieron que los estados atrapados efectivamente causan atenuación de puntos cuánticos. Los enlaces colgantes en la superficie de las nanopartículas de silicio atraparon electrones donde se recombinaron "no radiativamente" al liberar calor. Es decir, los electrones arrojan el exceso de energía sin irradiar luz. Pero fue un poco más complicado que eso. La atenuación también dependía de la carga general de todo el punto cuántico, el equipo encontró.
A veces, un electrón puede quedar atrapado en el material en el que está incrustado un punto, sílice en este caso, dando al punto una carga positiva general. Solo cuando el electrón permanece atrapado en la superficie del nanodoto, haciéndolo neutral o cargado negativamente, se descompondría sin irradiar luz. "Entonces, cuando el punto tiene carga positiva, será brillante. Cuando es neutral o con carga negativa, esperamos que esté oscuro, "dijo Nicholas P. Brawand, estudiante de posgrado de la Universidad de Chicago que fue coautor del estudio.
Más allá de parpadear
Para llegar a sus resultados, los investigadores tuvieron que idear modelos realistas de puntos cuánticos y calcular sus propiedades a partir de principios científicos, lo que los científicos llaman cálculos ab intio (en latín, "desde el principio"). Esos cálculos tomaron más de 100, 000 horas de procesador en Hopper. "Los cálculos necesarios para llegar a estas conclusiones eran computacionalmente bastante exigentes, ", dijo Vörös." No podríamos haber hecho nuestro trabajo sin los recursos de NERSC ".
"Nuestros resultados son los primeros cálculos ab initio informados que muestran que los enlaces colgantes en la superficie de las nanopartículas de silicio oxidado pueden actuar como centros eficientes de recombinación no radiativa, "dijo la coautora Giulia Galli, quien es profesor de estructura electrónica y simulaciones de Liew Family en el Instituto de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago. "Nuestros hallazgos proporcionan una validación a priori de la interpretación del papel que juegan los defectos de enlaces colgantes en varios dispositivos fotónicos y optoelectrónicos".
Es más, Las técnicas de los investigadores se pueden utilizar para abordar los efectos del atrapamiento en las células solares. "Captura, el mismo mecanismo físico que provoca el parpadeo, realmente puede limitar la eficiencia de las células solares, —dijo Vörös.
"Ahora que hemos probado esta técnica, podemos aplicarlo a células solares de nanocristales, también, "Dijo Galli.
