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纳米晶体制成的半导体的新理论

ETH的研究人员提供了有关在纳米晶体制成的半导体中如何传导电流的第一个理论解释。将来,这可能会导致开发用于电视屏幕的新传感器,激光器或LED。

几年前,我们被介绍了采用QLED技术的电视屏幕,可产生鲜艳的色彩。这里的“ Q”代表“量子点”。量子点是仅几纳米大小的半导体材料的晶体,由几千个原子组成。这些纳米晶体是如此之小,以至于其中的电子只能具有某些明确定义的量子机械能级。结果,当量子点被电视的背光照明时,特定颜色的光通过在这些能级之间的量子跳变而发射。

在下一代QLED电视中,希望是使用电能使量子点自行发光,而不需要背光。但是,到目前为止,还缺乏对电流如何流过纳米晶体薄膜的理论理解。由Vanessa Wood领导的苏黎世联邦理工学院信息技术和电气工程系的一组研究人员现已缩小了这一差距,正如他们在科学期刊《自然通讯》上的报道一样。

弹簧床垫vs台式

电流在非纳米尺寸的半导体中如何运动的理论已有90多年的历史了,并且存在用于模拟其行为的软件工具。工业界可以通过故意添加杂质原子(掺杂)来控制半导体的电子特性,这会改变自由电荷载流子(电子)的数量。相反,用这些方法不能处理由许多小的纳米晶体量子点组成的半导体。

在纳米晶体中,添加杂质原子并不一定会导致自由电荷载流子。此外,免费收费的行为也不尽相同。伍德指出:“普通半导体中的电荷载体的运动就像在光滑的桌面上滚动的保龄球一样,而在纳米晶体材料中,它们的作用就像在柔软的床垫上的保龄球一样,使它们陷入并变形。”

苛刻的造型

对于理论建模,这意味着不能简单地将纳米晶体半导体晶格中的原子视为固定点,这通常是普通半导体所要做的。“相反,我们必须用数学方法描述材料的许多纳米晶体中数十万个原子中的每个原子,以及每个原子如何与电荷载流子相互作用,”伍德研究小组的Nuri Yazdani解释说。学生,是最近发表的研究的第一作者。

Yazdani使用位于卢加诺的瑞士超级计算中心CSCS,运行了一个复杂的代码,其中考虑了问题的所有细节,包括电子和原子的运动以及它们之间的相互作用。Yazdani说:“特别是,我们想了解电荷载流子如何在单个纳米晶体之间移动,以及为什么它们被'捕获'并且不能继续下去。”

这些计算机模拟的结果极具启发性。事实证明,由许多纳米晶体组成的材料如何传导电流的决定性因素是晶体的微小变形(仅几千分之一纳米),导致静电能发生巨大变化。当电荷使周围的材料变形时,这称为极化子,Yazdani的模拟显示电流流过从一个纳米晶体跳到另一个纳米晶体的极化子。

一个模型可以说明所有问题

该模型解释了如何通过改变纳米晶体的尺寸以及如何将其堆积在薄膜中来改变基于纳米晶体的半导体的电子性能。为了测试其模拟的预测,该团队在实验室生产了纳米晶体薄膜,并测量了不同施加电压和温度下的电响应。在那些实验中,他们使用短激光脉冲在材料的一端产生自由电子,然后观察它们到达另一端的时间。结果:对于数百种不同的测试中的每一种,计算机仿真都能完美地预测电性能。

伍德说:“经过八年的艰苦努力,我们现在创建了一个模型,该模型最终可以定量地解释我们的实验,而且还可以定量解释许多其他研究小组的实验。” “这种模式将使研究人员和工程师在未来计算的纳米晶体的特性半导体也生产甚至之前。” 这应该使得有可能针对特定应用优化此类材料。伍德补充说:“到目前为止,这必须通过反复试验来完成。”

利用ETH研究人员的结果,将来可以用纳米晶材料开发有用的半导体,用于传感器,激光器或LED的各种应用,以及电视屏幕。由于可以在生产过程中控制纳米晶体的组成,尺寸和排列,因此与传统半导体相比,此类材料具有更广泛的电气特性。

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