Investigadores del Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU. Han desarrollado nanopartículas de germanio con fotoluminiscencia mejorada, haciéndolos materiales potencialmente mejores para células solares y sondas de imágenes. El equipo de investigación descubrió que al agregar estaño al núcleo de germanio de la nanopartícula, su estructura reticular coincidía mejor con la estructura reticular del revestimiento de sulfuro de cadmio que permite que las partículas absorban más luz.

"Para un material fotovoltaico, obviamente, absorber la luz es la primera parte y convertir esa energía solar en energía eléctrica es la segunda parte, ", dijo Emily Smith, científica del Laboratorio Ames." Entonces, desea un material que haga ambas cosas de manera eficiente. El germanio tiene algunas características deseables para los materiales fotovoltaicos, pero lamentablemente no absorbe bien la luz ".

Parte del problema es que la superficie exterior de las nanopartículas de germanio cambia con el tiempo, principalmente por oxidación. El trabajo anterior del grupo del científico Javier Vela del Laboratorio Ames descubrió que las nanopartículas de recubrimiento, comúnmente conocidas como pasivación superficial, mejoraban la capacidad de las nanopartículas para absorber la luz.

"En realidad, no estamos midiendo la absorción, "Smith explicó, "medimos la luminiscencia, la cantidad de luz emitida después de que se absorbe un fotón".

"El hecho de que el germanio no absorba bien la luz es una forma sencilla de decir que es un material de banda prohibida indirecta, "Smith agregó, "y estamos tratando de hacer un material de banda prohibida más directo, uno que absorbe mejor la luz ".

Según la literatura de investigación, la adición de estaño parece mejorar las propiedades de absorción de luz del germanio. Sin embargo, Los investigadores del Laboratorio Ames descubrieron que incluso con la adición de estaño, las nanopartículas aún requerían un recubrimiento superficial. Pero también descubrieron que la relación entre la estructura atómica del revestimiento de la superficie y el material del núcleo puede mejorar aún más la absorción de luz.

El método específico utilizado se llama Adsorción y Reacción de Capa de Iones Sucesivos o 'SILAR', que se adaptó por primera vez a los coloides del grupo IV hace varios años.

"Hemos estado desarrollando la experiencia necesaria para cultivar un núcleo / capa intrincada y otras nanopartículas bien definidas durante muchos años, "Vela dijo, "A través de nuestra colaboración con el grupo de Emily Smith, Esperamos seguir avanzando en nuestra capacidad para manipular y dirigir los flujos de energía a nanoescala ".

Utilizando imágenes de microscopía electrónica de transmisión y difracción de rayos X en polvo para estudiar las características estructurales de las nanopartículas y espectroscopias Raman y fotoluminiscencia para cuantificar la deformación reticular y el comportamiento de la fotoluminiscencia, el grupo encontró una correlación entre la cantidad de estaño en el núcleo y qué tan bien la red del núcleo coincidía con la de la capa exterior de sulfuro de cadmio.

"Los átomos están en una ubicación muy específica dentro del núcleo de nanocristales y cuando se aplica la capa alrededor del nanocristal, los átomos de la capa pueden no coincidir perfectamente con los átomos del núcleo, ", Dijo Smith." Con el único material de germanio utilizado anteriormente, el núcleo y el caparazón no coincidían perfectamente ".

"Cuando estudiamos las partículas de germanio-estaño, propusimos que funcionaban mejor porque el espaciado de los átomos coincide mejor con el espaciado de los átomos que usamos en la capa de recubrimiento, ", dijo." Al hacer eso, está obteniendo una capa más perfecta que es menos probable que cause cambios químicos en la superficie del núcleo de nanopartículas ".

Otro uso potencial de este material, además de fotovoltaica, es que en microscopía o imágenes, Los investigadores a menudo necesitan "etiquetar" una proteína u otra característica con una "sonda" de nanopartículas para que se ilumine y sea más fácil de ver y estudiar.

Los resultados de la investigación, Nanocristales de núcleo / carcasa de germanio-estaño / sulfuro de cadmio con fotoluminiscencia mejorada en el infrarrojo cercano, "se publicaron en la revista de la American Chemical Society Química de Materiales .