Films made of semiconductor nanocrystals — tiny crystals measuring just a few billionths of a meter across — are seen as a promising new material for a wide range of applications. Nanocrystals could be used in electronic or photonic circuits, detectors for biomolecules, or the glowing pixels on high-resolution display screens. They also hold promise for more efficient solar cells.
The size of a semiconductor nanocrystal determines its electrical and optical properties. But it’s very hard to control the placement of nanocrystals on a surface in order to make structurally uniform films. Typical nanocrystal films also have cracks that limit their usefulness and make it impossible to measure the fundamental properties of these materials.
Now, researchers at MIT say they have found ways of making defect-free patterns of nanocrystal films where the shape and position of the films are controlled with nanoscale resolution, potentially opening up a significant area for research and possible new applications.
“We’ve been trying to understand how electrons move in arrays of these nanocrystals,” which has been difficult with limited control over the formation of the arrays, says physicist Marc Kastner, the Donner Professor of Science, dean of MIT’s School of Science and senior author of a paper published online in the journal Nano Letters.
The work builds on research by Moungi Bawendi, the Lester Wolfe Professor of Chemistry at MIT and a co-author of this paper, who was one of the first researchers to precisely control nanocrystal production. Such control made it possible, among other things, to produce materials that glow, or fluoresce, in a range of different colors based on their sizes — even though they are all made of the same material.
In the initial phases of the new work, postdoc Tamar Mentzel produced nanoscale patterns that emit invisible infrared light. But working on such systems is tedious, since each fine-tuning has to be checked using time-consuming electron microscopy. So when Mentzel succeeded in getting semiconductor nanocrystal patterns to glow with visible light, making them visible through an optical microscope, it meant that the team could greatly speed the development of the new technology. “Even though the nanoscale patterns are below the resolution limit of the optical microscope, the nanocrystals act as a light source, rendering them visible,” Mentzel says.
The electrical conductivity of the researchers’ defect-free films is roughly 180 times greater than that of the cracked films made by conventional methods. In addition, the process developed by the MIT team has already made it possible to create patterns on a silicon surface that are just 30 nanometers across — about the size of the finest features possible with present manufacturing techniques.
The process is unique in producing such tiny patterns of defect-free films, Mentzel says. “The trick was to get the film to be uniform, and to stick” to the silicon dioxide substrate, Kastner adds. That was achieved by leaving a thin layer of polymer to coat the surface before depositing the layer of nanocrystals on top of it. The researchers conjecture that tiny organic molecules on the surface of the nanocrystals help them bind to the polymer layer.
Such nanocrystal patterns could have many applications, Kastner says. Because these nanocrystals can be tuned not only to emit but also to absorb a wide spectrum of colors of light, they could enable a new kind of broad-spectrum solar cell, he says.
But Kastner and Mentzel’s personal interest has more to do with basic physics: Since the minuscule crystals behave almost like oversized atoms, the researchers aim to use the arrays to study fundamental processes of solids, Mentzel says. The success of this technique has already enabled new research on how electrons move in the films.
Such materials could also be used to develop sensitive detectors for tiny amounts of certain biological molecules, either as screening systems for toxins or as medical testing devices, the researchers say.
Douglas Natelson, a professor of physics and astronomy at Rice University who was not involved in this work, says, “The challenge in the past has been achieving thin, uniform films, patterned at high resolution, with good contact between the nanocrystals and no cracking.” The MIT team’s approach, he says, “while deceptively simple in appearance, accomplishes all of these objectives.”
Natelson adds: “I think this is a very nice achievement. The fluorescence images showing the nanopatterned films are eye-popping, particularly for those who know how tough this is.”
The research was supported by the U.S Army Research Office, the Department of Energy and Samsung.
Traducción:
Las películas hechas de nanocristales semiconductores - cristales diminutos que miden sólo unas pocas millonésimas de un metro de diámetro - se ven como un material nuevo y prometedor para una amplia gama de aplicaciones. Nanocristales podría ser utilizado en circuitos electrónicos o fotónicos, detectores de biomoléculas, o los pixeles brillantes en las pantallas de visualización de alta resolución. También mantienen la promesa para células solares más eficientes.El tamaño de un nanocristal semiconductor determina sus propiedades eléctricas y ópticas. Pero es muy difícil controlar la ubicación de nanocristales en una superficie con el fin de hacer películas estructuralmente uniformes. Típicas películas de nanocristales tienen grietas que limitan su utilidad y hacen que sea imposible medir las propiedades fundamentales de estos materiales.Ahora, los investigadores del MIT dicen que han encontrado la manera de hacer sin defectos patrones de las películas de nanocristales donde se controlan la forma y posición de las películas con resolución nanométrica, lo que podría abrir un área importante para la investigación y las posibles nuevas aplicaciones."Hemos estado tratando de entender cómo los electrones se mueven en matrices de estos nanocristales", que ha sido difícil, con un control limitado sobre la formación de las matrices, dice el físico Marc Kastner, profesor de Ciencia Donner, decano de la Escuela del MIT de Ciencia y autor principal de un artículo publicado en línea en la revista Nano Letters.El trabajo se basa en la investigación de Moungi Bawendi, el Lester Wolfe profesor de Química en el MIT y co-autor de este trabajo, que fue uno de los primeros investigadores para controlar con precisión la producción de nanocristales. Tal control hecho posible, entre otras cosas, para producir materiales que brillan, o fluorescencia, en una gama de colores diferentes en función de sus tamaños - a pesar de que están hechos del mismo material.En las fases iniciales de la nueva obra, postdoc Tamar Mentzel produjo patrones a nanoescala que emiten luz infrarroja invisible. Sin embargo, trabajar en tales sistemas es tedioso, ya que cada ajuste fino tiene que ser comprobada utilizando mucho tiempo microscopía electrónica. Así que cuando Mentzel logró que nanocristales semiconductores patrones a brillar con luz visible, haciéndolos visibles a través de un microscopio óptico, que significaba que el equipo podría ser de gran acelerar el desarrollo de la nueva tecnología. "A pesar de que los patrones de nanoescala están por debajo del límite de resolución del microscopio óptico, los nanocristales de actuar como una fuente de luz, haciéndolos visibles," Mentzel dice.La conductividad eléctrica de los investigadores sin defectos películas es de aproximadamente 180 veces mayor que la de las películas agrietados hechas por métodos convencionales. Además, el proceso desarrollado por el equipo del MIT ya ha hecho posible la creación de patrones en una superficie de silicio que se encuentran a tan sólo 30 nanómetros de diámetro - aproximadamente el tamaño de las mejores características posibles con las técnicas de fabricación actuales.El proceso es único en la producción de tales patrones de diminutos sin defectos películas, Mentzel dice. "El truco era lograr que la película sea uniforme, y pegarse" al sustrato de dióxido de silicio, Kastner añade. Eso se logra dejando una fina capa de polímero para recubrir la superficie antes de depositar la capa de nanocristales en la parte superior de la misma. Los investigadores conjeturan que pequeñas moléculas orgánicas en la superficie de los nanocristales ayudar a ellos se unen a la capa de polímero.Tales patrones de nanocristales podría tener muchas aplicaciones, dice Kastner. Debido a que estos nanocristales pueden ser sintonizado no sólo para emitir sino también para absorber un amplio espectro de colores de la luz, que podría permitir a un nuevo tipo de célula solar de amplio espectro, dice.Pero el interés personal Kastner y Mentzel tiene más que ver con la física básica: Puesto que los cristales minúsculos átomos se comportan casi como de gran tamaño, los investigadores pretenden utilizar las matrices para estudiar los procesos fundamentales de los sólidos, Mentzel dice. El éxito de esta técnica ha permitido ya a las nuevas investigaciones sobre cómo los electrones se mueven en las películas.Tales materiales también se podrían utilizar para desarrollar detectores sensibles para pequeñas cantidades de determinadas moléculas biológicas, ya sea como sistemas de detección de toxinas o como dispositivos de pruebas médicas, los investigadores.Natelson Douglas, profesor de física y astronomía en la Universidad de Rice, que no participó en este trabajo, dice: "El desafío en el pasado ha sido el logro de películas delgadas, uniformes, estampados en alta resolución, con un buen contacto entre los nanocristales y las grietas no . "El enfoque del equipo del MIT, dice," aunque engañosamente simple en apariencia, lleva a cabo todos estos objetivos ".Natelson añade: "Creo que este es un logro muy bonito. Las imágenes de fluorescencia que muestran las películas nanoestructurada son alucinantes, sobre todo para aquellos que saben lo difícil que es esto. "La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación del Ejército de EE.UU., el Departamento de Energía y Samsung.
28/08/2012 DICYT.COM
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