作者:苏黎世联邦理工学院奥利弗·莫什 纳米晶体半导体中紧密堆积的晶体:联邦理工学院研究人员开发的模型描述了每一个原子
信用:苏黎世联邦理工学院/自然通信 ETH的研究人员为电流如何在纳米晶体半导体中传导提供了第一个理论解释
在未来，这可能会导致新的传感器，激光或电视屏幕发光二极管的发展
几年前，我们被介绍给采用QLED技术的电视屏幕，这种技术可以产生明亮的颜色
这里的“Q”代表“量子点”
“量子点是一种只有几纳米大小的半导体材料的晶体，由几千个原子组成
这些纳米晶体非常小，其中的电子只能占据特定的量子力学能级
因此，当量子点被电视机的背光照亮时，特定颜色的光通过这些能级之间的量子跃迁而发射
在下一代QLED电视中，人们希望用电来使量子点自己发光，而不需要背光。
然而，到目前为止，对电流如何通过纳米晶体薄膜的理论理解还很缺乏
由瓦内萨·伍德领导的苏黎世联邦理工学院信息技术和电子工程系的一组研究人员已经弥合了这一差距，他们在科学杂志《自然通讯》上发表了报告
弹簧床垫与桌面 电流如何在非纳米尺寸的半导体中流动的理论已经为人所知超过90年，并且存在软件工具来模拟它们的行为
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性质，从而改变自由电荷载流子(电子)的数量
相比之下，由许多小纳米晶体量子点组成的半导体不能用这些方法处理
在纳米晶体中，添加杂质原子不一定会产生自由电荷载流子
此外，免费收费的行为方式不同
伍德解释了这个问题:“普通半导体中的电荷载体就像在光滑桌面上滚动的保龄球，而在纳米晶体材料中，它们就像软床垫上的保龄球，会下沉并使其变形。”
需求建模 在纳米晶体半导体中，电流通过从纳米晶体跳到纳米晶体的电子传输
随着每一次跳跃，电子的电荷使纳米晶体变形(左上)，形成极化子(右上)
信用:苏黎世联邦理工学院 对于理论模型来说，这意味着纳米晶体半导体晶格中的原子不能简单地视为静止点，而这通常是正常半导体的情况
“相反，我们必须从数学上描述这种材料的许多纳米晶体中的几十万个原子中的每一个，以及每个原子如何与电荷载体相互作用，”努里·亚兹达尼解释说，他在伍德的研究小组担任博士
D
学生，是最近发表的研究的第一作者
亚兹达尼利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——电子和原子的运动以及它们之间的相互作用
亚兹达尼说:“特别是，我们想了解电荷载流子是如何在单个纳米晶体之间移动的，以及它们为什么会被‘捕获’而无法继续。”
那些计算机模拟的结果非常有启发性
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最小变形，只有千分之几纳米，这导致静电能量的巨大变化
当电荷使周围的材料变形时，这就是所谓的极化子，亚兹达尼的模拟显示电流通过极化子从一个纳米晶体跳到下一个纳米晶体
一种模式解释了一切 该模型解释了基于纳米晶体的半导体的电子性质是如何通过改变纳米晶体的尺寸以及它们在薄膜中的堆积方式而改变的
为了测试他们模拟的预测，研究小组在实验室制作了纳米晶体薄膜，并测量了不同外加电压和温度下的电响应
在这些实验中，他们使用短激光脉冲在材料的一端产生自由电子，然后在到达另一端时进行观察
结果是:对于几百个不同的测试中的每一个，计算机模拟完美地预测了电特性
伍德说:“经过八年的紧张工作，我们现在已经创建了一个模型，最终不仅可以定量解释我们的实验，还可以定量解释过去几年许多其他研究小组的实验。”
“这样的模型将使未来的研究人员和工程师能够在纳米晶体半导体生产出来之前就计算出它的特性
“这将使我们有可能为特定的应用优化这些材料
“到目前为止，这必须通过反复试验来完成，”伍德补充道
利用联邦理工学院研究人员的结果，未来可以从纳米晶体材料中开发出有用的半导体，用于传感器、激光器或发光二极管——也用于电视屏幕
由于纳米晶体的组成、尺寸和排列可以在生产过程中进行控制，因此这种材料比传统半导体具有更广泛的电学性能
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