Los investigadores de ETH han proporcionado la primera explicación teórica de cómo se conduce la corriente eléctrica en semiconductores hechos de nanocristales. En el futuro, esto podría conducir al desarrollo de nuevos sensores, láseres o LED para pantallas de televisión.

Hace unos pocos años, nos presentaron las pantallas de televisión con tecnología QLED que produce colores brillantes. La "Q" aquí significa "punto cuántico". Los puntos cuánticos son cristales de un material semiconductor de solo unos pocos nanómetros de tamaño que constan de un par de miles de átomos. Esos nanocristales son tan pequeños que los electrones que contienen solo pueden asumir ciertos niveles de energía mecánica cuántica bien definidos. Como consecuencia, cuando los puntos cuánticos se iluminan con la luz de fondo de un televisor, la luz de un color particular se emite mediante saltos cuánticos entre esos niveles.

En televisores QLED de próxima generación, la esperanza es usar electricidad para hacer que los puntos cuánticos brillen por sí solos en lugar de necesitar una luz de fondo. Hasta ahora, sin embargo, Faltaba la comprensión teórica de cómo se mueve la corriente eléctrica a través de una fina película de nanocristales. Un equipo de investigadores del Departamento de Tecnología de la Información e Ingeniería Eléctrica de ETH Zurich dirigido por Vanessa Wood ahora ha cerrado esa brecha, como informan en la revista científica Comunicaciones de la naturaleza .

Colchón de muelles vs tablero de mesa

La teoría de cómo se mueve la corriente eléctrica en semiconductores que no son de tamaño nanométrico se conoce desde hace más de noventa años y existen herramientas de software para modelar su comportamiento. La industria puede controlar las propiedades electrónicas de los semiconductores agregando deliberadamente átomos de impureza (dopaje), que cambia el número de portadores de carga libre (electrones). Por el contrario, los semiconductores que constan de muchos pequeños puntos cuánticos de nanocristales no pueden tratarse con esos métodos.

En nanocristales, la adición de átomos de impureza no conduce necesariamente a portadores de carga gratuita. Es más, las cargas gratuitas no se comportan de la misma manera. "Los portadores de carga en los semiconductores normales se mueven como bolas de boliche rodando sobre una mesa lisa, mientras que en un material de nanocristales actúan como bolas de boliche sobre un colchón blando, hundiéndolo y deformándolo, "Wood ilustra el problema.

Modelado exigente

Para el modelado teórico, esto significa que los átomos en la red cristalina del semiconductor de nanocristales no pueden considerarse simplemente como puntos estacionarios, que es lo que se suele hacer con los semiconductores normales. "Bastante, tuvimos que describir matemáticamente cada uno de los varios cientos de miles de átomos en los muchos nanocristales del material, y cómo cada átomo interactúa con los portadores de carga, "explica Nuri Yazdani, quien trabajó en el grupo de investigación de Wood como Ph.D. estudiante y es el primer autor del estudio recientemente publicado.

Usando el Swiss Supercomputing Center CSCS en Lugano, Yazdani ejecutó un código complejo en el que se tuvieron en cuenta todos los detalles del problema, el movimiento de los electrones y los átomos, así como las interacciones entre ellos. "En particular, Queríamos entender cómo los portadores de carga se mueven entre los nanocristales individuales y por qué quedan 'atrapados' y no pueden continuar. "dice Yazdani.

Los resultados de esas simulaciones por computadora fueron extremadamente reveladores. Resultó que el factor determinante de cómo un material compuesto por muchos nanocristales conduce la corriente eléctrica son las deformaciones más pequeñas de los cristales, solo unas milésimas de nanómetro, que conducen a un gran cambio en la energía electrostática. Cuando la carga deforma el material a su alrededor, esto se conoce como polarón, y las simulaciones de Yazdani muestran que la corriente fluye a través de los polarones saltando de un nanocristal al siguiente.

Un modelo lo explica todo

El modelo explica cómo cambian las propiedades electrónicas de los semiconductores basados ​​en nanocristales al variar el tamaño de los nanocristales y cómo se empaquetan en la película. Para probar las predicciones de sus simulaciones, el equipo produjo películas delgadas de nanocristales en el laboratorio y midió la respuesta eléctrica para diferentes voltajes y temperaturas aplicados. En esos experimentos, crearon electrones libres en un extremo del material usando un pulso de láser corto y luego observaron cuando llegaron al otro extremo. El resultado:para cada uno de los varios cientos de pruebas diferentes, la simulación por computadora predijo perfectamente las propiedades eléctricas.

"Después de ocho años de intenso trabajo, ahora hemos creado un modelo que finalmente puede explicar cuantitativamente no solo nuestros experimentos, sino también los de muchos otros grupos de investigación en los últimos años, ", dice Wood." Un modelo de este tipo permitirá a los investigadores e ingenieros en el futuro calcular las propiedades de un semiconductor de nanocristales incluso antes de que se produzca. Esto debería permitir optimizar dichos materiales para aplicaciones particulares ". esto tenía que hacerse por ensayo y error, "Wood agrega.

Utilizando los resultados de los investigadores de ETH, en el futuro, se podrían desarrollar semiconductores útiles a partir de materiales de nanocristales para diversas aplicaciones en sensores, láseres o LED, también para pantallas de televisión. Como la composición, Talla, y la disposición de los nanocristales se puede controlar durante su producción, tales materiales prometen una variedad mucho más amplia de propiedades eléctricas que los semiconductores tradicionales.