Модификация стехиометрического состава квантовых точек может приводить к значительному изменению дырочной проводимости в квантовых точках. Международный коллектив ученых из Нидерландов и Швейцарии продемонстрировал это на квантовых точках из сульфида свинца, добавив на их поверхность дополнительный слой серы, и предложил использовать это свойство для управления их зонной структурой. Результаты исследования опубликованы в Science Advances.

Квантовые точки представляют из себя коллоидные наночастицы полупроводникового кристалла. Одна квантовая точка обычно включает в себя не больше нескольких тысяч атомов, поэтому ее зонная структура и проводящие свойства определяются не столько объемными свойствами кристалла, сколько состоянием ее поверхности. Если для изменения плотности и подвижности носителей заряда в объемных кристаллических полупроводниках обычно используется легирование, то для нанокристаллов такой способ смысла почти не имеет из-за того, что при этом практически не меняется состояние поверхности. Отсутствие методов управления проводимостью квантовых точек приводит к тому, что подавляющее их большинство обладают только электронной проводимостью, и их невозможно использовать для создания диода или транзистора с контролируемыми свойствами.

Структура двумерного слоя квантовых точек из сульфида свинца до (b и c) и после полного замещения поверхностного слоя иода на серу (d и e). D. M. Balazs et al./ Science Advances, 2017

В своей новой работе химики из Нидерландов и Швейцарии предложили для управления дырочной проводимостью в квантовых точках использовать изменение их стехиометрического состава. Ученые исследовали квантовые точки сульфида свинца, и добавляя на их поверхность дополнительный слой атомов серы. Такая модификация поверхности приводит к нарушению стехиометрического соотношения свинца и серы (1:1) и обогащению квантовой точки носителями заряда одного знака.

Чтобы провести такой эксперимент, ученые осаждали квантовые точки на поверхность, после чего производили двухстадийную замену лигандов. Сначала олеиновая кислота, которая использовалась для предотвращения слипания частиц в растворе, удалялась и заменялась на иодид-ионы. А после этого для частичной или полной замены иодидов на сульфиды поверхность обрабатывалась раствором гидросульфида натрия в метаноле.

Спектры поглощения (a) и фотолюменисценции (b) пленок, составленных из квантовых точек до и после изменение состава поверхности. (с) Данные анализа стехиометрического состава квантовых точек для разных условий обработки. (d) Схематическое изображение изменений состояния квантовых точек и их зонной структуры. D. M. Balazs et al./ Science Advances, 2017

При замене иодида на сульфид, сера встраивается в кристаллическую структуру квантовой точки, изменяя проводящие и оптические свойств полупроводниковой наночастицы. При этом оказалось, что точный стехиометрический состав квантовой точки можно контролировать, просто изменяя концентрацию сульфид-ионов в растворе.

Исследователи сравнили вольт-амперные и оптические свойства квантовых точек до и после модификации поверхности. Оказалось, что добавление серы на поверхность квантовой точки приводит к уменьшению запрещенной зоны и увеличению почти на два порядка подвижности положительных носителей заряда. Характерно, что подвижность электронов при этом сохраняется на прежнем уровне. Поэтому если до модификации поверхности в квантовой точке из сульфида свинца преобладала электронная проводимость, то после модификации для квантовой точки уже были характерны оба типа проводимости.  

Диапазон возможного будущего применения квантовых точек довольно широк. Их предлагают использовать не только для создания солнечных батарей и нанотранзисторов, но и в качестве чернил для печати или даже элементов нейронной сети.

Автор: Александр Дубов