Nobelprijswinnende nanokristallen hebben onverwachte eigenschap

De nanokristallen waarmee in 2023 de Nobelprijs voor Scheikunde werd gewonnen, lieten een onverwachte eigenschap zien. Onderzoekers van de Universiteit Twente ontdekten dat de moleculaire coating op quantum dot-nanokristallen interne elektrische velden opwekt. Afhankelijk van de gebruikte coating vertragen deze velden de lichtemissie met een factor acht.

De bevindingen, gepubliceerd in het Journal of Physical Chemistry C, openen mogelijke toepassingen in siliciumfotonica en de meting van elektrische velden op moleculair niveau.

Quantum dots zijn al overal. Ze geven QLED-televisies hun levendige kleuren en helpen zonnecellen zonlicht efficiënter omzetten. Bij al deze toepassingen is het van belang hoeveel licht een quantum dot uitzendt. Quantum dots zijn halfgeleider-nanokristallen met een diameter van slechts enkele nanometers. Ze zijn zo klein dat quantummechanische effecten hun gedrag bepalen. De kleur van het licht dat ze uitzenden hangt af van hun grootte: kleinere puntjes stralen blauw licht uit, grotere rood. Die eigenschap leverde Moungi Bawendi, Louis Brus en Alexei Ekimov de Nobelprijs voor Scheikunde in 2023 op. Tot nu toe namen onderzoekers aan dat die controle vooral voortkwam uit de grootte van het nanokristal. Deze studie laat zien dat de oppervlaktecoating een even bepalende factor is en daarmee verandert ook hoe we quantum dots kunnen inzetten.

Lichtemitters integreren in siliciumchips

De quantum dots in dit onderzoek stralen uit in het nabij-infrarode gebied: onzichtbaar voor het menselijk oog, maar essentieel voor telecommunicatie en optische systemen op basis van silicium. Hun oppervlak is bedekt met moleculen die liganden worden genoemd; die voorkomen dat de nanokristallen in oplossing samenklonteren. Maar liganden doen meer dan stabiliseren, zo laat dit onderzoek zien.

Bepaalde liganden wekken elektrische velden op binnen het nanokristal die het lichtemissieproces verstoren. Onderzoekers noemen dit het kwantumgebonden Stark-effect. Het is een verschijnsel dat ze eerder waarnamen bij quantum dots die zichtbaar licht uitstralen, maar nog niet in het nabij-infrarood. De bevindingen zijn vooral van belang voor siliciumfotonica. Lichtemitters integreren in siliciumchips was al lang een knelpunt. Quantum dots zijn een veelbelovende kandidaat, en nu onderzoekers begrijpen hoe ze de emissie via oppervlaktechemie kunnen sturen, komt die integratie een stap dichterbij.

De coating verandert alles

Het team onderzocht quantum dots van verschillende groottes met twee verschillende oppervlaktecoatings: oliezuur en polyethyleenglycol (PEG). Met oliezuur bedekte quantum dots gedroegen zich zoals verwacht: hun emissiesnelheid nam voorspelbaar toe met de deeltjesgrootte. PEG-gecoate quantum dots lieten een ander beeld zien. Bij kleinere afmetingen zonden zij fotonen tot acht keer langzamer uit. De PEG-moleculen wekken een klein elektrisch veld op binnen het nanokristal, en dat veld verstoort het lichtemissieproces.

Eerste auteur Andreas Schulz: “We ontdekten dat de speciale coating op de quantum dots kleine elektrische velden veroorzaakt. Die velden beïnvloeden de uitkomsten van onze metingen en dat laat zien hoe belangrijk oppervlaktechemie is bij het bestuderen van halfgeleider-nanokristallen.” Ook de ondergrond speelt een rol. Leggen onderzoekers quantum dots op een siliciumoppervlak, dan neemt hun emissiesnelheid toe met een factor tien, puur door het materiaal waarop ze rusten.

Willem Vos: “Onze resultaten laten zien dat er verrassende nieuwe manieren zijn om licht op nanoschaal dynamisch te sturen. Dit opent de deur voor onderzoekers in de fotonica om ultrasnelle optische modulatoren, uiterst gevoelige elektrische veldsensoren en geavanceerde biofotonische toepassingen te ontwikkelen met ongekende prestaties en stuurbaarheid.”