Interactie op nanoschaal

Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam hebben, in samenwerking met Japanse teamgenoten, de relatie tussen de bandkloofenergie van individuele nanokristallen van cesiumloodbromide en hun grootte en vorm onderzocht. Door de bandkloofenergie van alleenstaande nanokristallen te vergelijken met die van nanokristallen van dezelfde grootte maar omringd door buren, hebben zij de interactie tussen aangrenzende nanokristallen voor het eerst op een nanometerschaal in beeld gebracht.

Nanokristallen zijn extreem klein, zo’n duizend maal kleiner dan de dikte van een mensenhaar. Door hun minuscule formaat wijkt de energiestructuur van de kristallen enorm af van die in grotere materialen. De bandkloofenergie, de energie die nodig is om elektronen stroom te laten geleiden, is daarom direct afhankelijk van de kristalgrootte.

De term perovskieten wordt gebruikt om een groep mineralen met een specifieke kristalstructuur aan te duiden. Zij hebben hun naam te danken aan de Russische mineraloog Lev Perovski. Omdat de perovskieten geïntegreerd kunnen worden in zonnecellen, hebben ze de afgelopen jaren veel aandacht getrokken. Alle voordelen van nanokristallen en perovskieten worden gecombineerd in nanokristallen van cesiumloodbromide, die daarom een interessant alternatief bieden voor verschillende toepassingen in de opto-elektronica, de ontwikkeling van elektronica die interactie met licht heeft.

Het experiment

De techniek die de onderzoekers gebruiken heet low-loss electron energy loss spectroscopy, of EELS. Daarbij wordt gebruikgemaakt van laag-energetische excitaties afkomstig van geleidings-elektronen. Tegelijkertijd worden de nanokristallen in beeld gebracht met elektronenmicroscopie, waarbij een extreem hoge resolutie gerealiseerd wordt. Op deze manier wordt de bandkloofenergie van individuele nanokristallen, zowel alleenstaand als omringd door buren, direct gekoppeld aan hun grootte en vorm.

Highlight graph EELS NL

Links: de bandkloofenergie van een alleenstaand nanokristal wordt bepaald met behulp van EELS. Rechts: voor een nanokristal van dezelfde grootte maar omringd door buren, wordt de bandkloofenergie op dezelfde manier bepaald. Het resultaat is echter niet hetzelfde. Dit toont aan dat er een koppeling ontstaat tussen aangrenzende nanokristallen. Afbeelding: J. Lin et al.

De interactie tussen nanokristallen

De relatie tussen nanokristalgrootte en bandkloofenergie werd door de onderzoekers vastgesteld voor veel verschillende nanokristallen. Daarbij bleek dat een klein alleenstaand nanokristal een grotere bandkloofenergie heeft dan een nanokristal van dezelfde grootte omringd door buren. Andersom heeft een groot nanokristal een lagere bandkloofenergie wanneer deze geïsoleerd is. Daaruit kan geconcludeerd worden dat er tussen twee aangrenzende nanokristallen een koppeling ontstaat waarbij ze elkaars bandkloofenergie, en daarmee elkaars energiestructuur, beïnvloeden.

Dit unieke inzicht in de interactie tussen aangrenzende nanokristallen brengt nieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen van grotere structuren en materialen aan het licht, waarbij nanokristallen met doelgericht geconstrueerde eigenschappen als bouwblokken kunnen dienen.

  

J. Lin, L. Gomez, C. de Weerd, Y. Fujiwara, T. Gregorkiewicz en K. Suenaga, Direct Observation of Bandstructure Modifications in Nanocrystals of CsPbBr3 Perovskite. Nano Lett. 2016