Una nuova teoria per i semiconduttori fatti di nanocristalli
I ricercatori dell'ETH hanno fornito la prima spiegazione teorica del modo in cui la corrente elettrica viene condotta nei semiconduttori costituiti da nanocristalli. Questo potrebbe portare allo sviluppo di nuovi sensori, laser o LED per schermi in futuro.
Da qualche anno è possibile acquistare televisori che utilizzano la tecnologia QLED per produrre colori brillanti. La "Q" sta per "quantum dot". I punti quantici sono cristalli di un materiale semiconduttore delle dimensioni di pochi nanometri, composti da alcune migliaia di atomi. Questi nanocristalli sono così piccoli che gli elettroni al loro interno possono assumere solo stati energetici quantomeccanici ben definiti; quando i punti quantici vengono illuminati dalla retroilluminazione del monitor TV, la luce di un colore specifico viene emessa attraverso salti quantici tra questi stati.
Nella prossima generazione di televisori QLED si spera di illuminare i punti quantici direttamente con una corrente elettrica, invece di usare una retroilluminazione. Finora, però, mancava la comprensione teorica di come l'elettricità viene condotta attraverso una sottile pellicola di nanocristalli. I ricercatori del Dipartimento di ingegneria elettrotecnica e dell'informazione dell'ETH di Zurigo, guidati da Vanessa Wood, hanno ora colmato questa lacuna, come riportano nella rivista Nature Communications.
Più materasso che tavolo
Il modo in cui l'elettricità fluisce attraverso i semiconduttori che non sono di dimensioni nanometriche è noto da più di novant'anni ed esiste un software speciale che può essere utilizzato per modellare il loro comportamento. A livello industriale, le proprietà elettroniche dei semiconduttori possono essere controllate con l'aggiunta mirata di atomi estranei - il drogaggio - che modifica il numero di portatori di carica liberi (elettroni). Tuttavia, questi metodi non sono così facili da applicare ai semiconduttori, che sono costituiti da molti piccoli nanocristalli di punti quantici.
Nei nanocristalli, l'aggiunta di atomi estranei non porta necessariamente a portatori di carica liberi. Inoltre, le cariche libere non si comportano allo stesso modo. "I portatori di carica nei normali semiconduttori si muovono come palle di cono che rotolano su un piano liscio, mentre in un materiale nanocristallino si comportano più come palle su un materasso morbido - affondano e lo deformano", dice Wood, illustrando il problema.
Modellazione sofisticata
Per la modellazione teorica, ciò significa che gli atomi nel reticolo cristallino del semiconduttore nanocristallino non possono essere considerati semplicemente come punti a riposo, come si fa di solito per i normali semiconduttori. "Invece, abbiamo dovuto descrivere matematicamente ognuna delle centinaia di migliaia di atomi nei numerosi nanocristalli del materiale e come ognuno di questi atomi interagisce con i portatori di carica", spiega Nuri Yazdani, che ha lavorato nel gruppo di ricerca di Wood dottorando ed è il primo autore dello studio ora pubblicato.
Presso il Centro Svizzero di Supercalcolo CSCS di Lugano, ha eseguito un complesso programma informatico in cui sono stati presi in considerazione tutti i dettagli del problema - il movimento degli elettroni e degli atomi e le interazioni tra di essi. "In particolare, volevamo capire come i portatori di carica si muovono tra i singoli nanocristalli e perché rimangono 'intrappolati' e non possono più muoversi", spiega Yazadani.
I risultati di queste simulazioni al computer sono stati molto rivelatori. Il fattore decisivo nel modo in cui un materiale costituito da molti nanocristalli conduce la corrente elettrica è rappresentato dalle minime deformazioni dei cristalli causate dagli elettroni di pochi millesimi di nanometro, che portano a una grande variazione dell'energia elettrostatica. Quando una carica deforma il materiale, questo fenomeno è noto anche come polarone e, secondo le simulazioni di Yazdani, l'elettricità scorre tra i nanocristalli quando i polaroni saltano da un nanocristallo all'altro.
Un modello per tutto
Il modello spiega come cambiano le proprietà elettroniche del semiconduttore nanocristallino al variare delle dimensioni dei nanocristalli e della loro densità di impacchettamento nel film. Per testare le previsioni delle loro simulazioni, il team di ricerca ha prodotto film sottili di nanocristalli in laboratorio e ha misurato la loro risposta elettrica a diverse tensioni elettriche e temperature. A tal fine, hanno utilizzato un breve impulso laser per generare elettroni liberi a un'estremità del materiale e hanno osservato quando questi arrivavano all'altra estremità. Il risultato: in ognuna delle centinaia di prove diverse, la simulazione al computer ha previsto perfettamente le proprietà elettriche.
"Dopo otto anni di intenso lavoro, abbiamo finalmente creato un modello che spiega quantitativamente non solo i nostri esperimenti, ma anche quelli di molti altri gruppi di ricerca degli ultimi anni", spiega Wood. "Un modello del genere consentirà in futuro a ricercatori e ingegneri di calcolare le proprietà di un semiconduttore nanocristallino ancor prima che venga prodotto", consentendo ad esempio di ottimizzare tali materiali per applicazioni specifiche. "Finora, questo doveva essere fatto per tentativi ed errori", aggiunge Wood.
Grazie alle scoperte dei ricercatori dell'ETH, in futuro i materiali a base di nanocristalli potrebbero essere utilizzati per sviluppare semiconduttori utili per un'ampia gamma di applicazioni in sensori, laser o LED, ad esempio per i televisori. Poiché la composizione, la dimensione e la disposizione dei nanocristalli possono essere controllate durante la loro produzione, tali materiali promettono una gamma molto più ampia di proprietà elettriche rispetto ai semiconduttori tradizionali.
Riferimento alla letteratura
Yazdani, N., Andermatt, S., Yarema, M., Wood, V. et al. Charge transport in semiconductors assembled from nanocrystal quantum dots. Nature Communications 11, 2852 (2020). DOI: pagina esterna10.1038/s41467-020-16560-7.