A. Jolene Mork, um estudante de pós-graduação do MIT no quinto ano em química, e Mark C. Weidman, aluno do quarto ano de graduação em engenharia química do MIT, trabalhar com uma série de espelhos e lentes acopladas a um laser que direciona um feixe de luz para um microscópio (não mostrado) para a realização de experimentos de espectroscopia de fotoluminescência resolvida no tempo no Laboratório Tisdale no MIT. Crédito:Denis Paiste / Centro de Processamento de Materiais
Os nanocristais de sulfeto de chumbo adequados para células solares têm uma proporção de quase um para um de átomos de chumbo para enxofre, mas os pesquisadores do MIT descobriram que, para fazer pontos quânticos de tamanho uniforme, uma proporção maior de precursores de chumbo para enxofre - 24 para 1 - é melhor.
O estudante de graduação em engenharia química do MIT Mark C. Weidman desenvolveu a receita sintética no laboratório de William A. Tisdale, o Charles e Hilda Roddey Professor de Desenvolvimento de Carreira em Engenharia Química no MIT, com colegas Ferry Prins, Rachel S. Hoffman e a bolsista de verão de 2013 Megan Beck. A uniformidade de tamanho pode promover comprimentos de difusão de excitons longos em filmes de pontos quânticos de sulfeto de chumbo (PbS), Weidman diz.
Normalmente os pontos quânticos são sintetizados como um colóide, com partículas suspensas em um líquido. Se os pontos quânticos forem todos do mesmo tamanho, eles podem se auto-montar em uma rede ordenada. "Se eles forem monodispersos o suficiente, é o estado termodinamicamente favorecido, "Weidman explica.
Ele confirmou a monodispersidade de seus filmes com microscopia eletrônica de transmissão e eletrônica de varredura. Weidman também viajou para a Fonte de Luz Síncrotron Nacional no Laboratório Nacional de Brookhaven em Long Island, NOVA IORQUE., realizar estudos de espalhamento de raios-X de baixo ângulo de incidência rasante (GISAXS) e espalhamento de raios-X de grande angular (WAXS) de seus filmes finos.
"Mark e Megan foram capazes de tornar extremamente monodisperso, monodispersidade sem precedentes neste tipo particular de nanocristal, sulfeto de chumbo, "Tisdale diz. Weidman desvendou o mecanismo para o tamanho e estrutura uniformes.
O estudante de graduação em engenharia química Mark Weidman caracterizou a formação de super-rede de nanocristais de sulfeto de chumbo (PbS). Micrografias SEM de filmes de pontos quânticos revestidos por rotação (QD) feitos de QDs de grande diâmetro mostram (do canto superior esquerdo), a) vista superior de um plano BCC (110) exposto; b) vista superior de um plano BCC (100) exposto; c) filme com descontinuidade apresentando espessura média de aproximadamente 15 nanocristais; ed) vista do horizonte de uma superrede QD com borda exposta. Crédito:Mark C. Weidman
Weidman, que espera terminar seu doutorado no MIT em 2016, está interessada em sulfeto de chumbo por causa de seu uso em células solares. "Em algo como um filme de sulfeto de chumbo que é usado para energia fotovoltaica, para células solares, nesse caso, você deseja que seus pontos quânticos absorvam luz. Mas então você não quer que seja reemitido. Você quer pegar o elétron e o buraco e basicamente tirá-los do filme, leve-os a um circuito externo. Então, você deseja maximizar a difusão em seu filme; você quer que seja muito fácil retirar este par de elétron e buraco e quer uma longa vida desse par de elétron e buraco, então você tem muito tempo para ele vagar pelo filme e ser extraído, "Weidman diz.
"Esperamos encontrar maneiras de aumentar melhor a eficiência das células solares, tornando seus comprimentos de difusão em filmes de sulfeto de chumbo muito mais longos, e assim é mais fácil extrair portadores de carga do filme. "
O comprimento de difusão refere-se ao processo de excitons (pares de elétrons com carga oposta e lacunas) em movimento, ou "pulando, "de ponto quântico a ponto quântico, ou de pontos quânticos para um material vizinho. Tanto a distância percorrida pelos excitons quanto sua vida útil afetam as aplicações potenciais. Weidman foi co-autor de um estudo colaborativo entre os professores Tisdale, Vladimir Bulovic, e Adam Willard da difusão em sólidos de pontos quânticos, que mediu o tempo de vida do exciton e modelou os comprimentos de difusão do exciton. A estudante de pós-graduação A. Jolene Mork auxiliou na preparação da amostra e nas medições de espectroscopia transiente.
Para esse estudo, Weidman realizou microscopia eletrônica e análise usando ferramentas de processamento de imagem e programação MATLAB para determinar a separação, ou distância física, entre os pontos quânticos no filme. Os pontos quânticos do núcleo de seleneto de cádmio com uma camada de enxofre de cádmio e zinco com distâncias médias de centro a centro de cerca de 7,9 nanômetros de distância. "O que aprendemos é que você quer tornar a distância de centro a centro a menor possível para ter um comprimento de difusão maior, para maximizar o seu comprimento de difusão, "Weidman diz.
O aluno de graduação Mark Weidman e seus colegas demonstraram como sintetizar nanocristais de sulfeto de chumbo de tamanho uniforme. Crédito:Denis Paiste / Centro de Processamento de Materiais
Os pontos quânticos também são valorizados por sua propriedade de mudar de cor conforme mudam de tamanho, que está ligado à mudança de bandgap. Para ter uma cor consistente, você precisa ter um tamanho consistente entre um conjunto de pontos quânticos. A colega do grupo Tisdale, Elizabeth M.Y. (Liza) Lee simulou variações de tamanho no filme de pontos quânticos para o estudo, Notas de Weidman. "Este artigo mostra que você pode controlar quanta difusão energética ocorre em filmes de pontos quânticos ajustando o quão próximos eles estão fisicamente, " ele explica.
"A outra grande implicação neste artigo é que, pelo que vimos em algumas das simulações, algum distúrbio energético pode ser bom nesses filmes para fazer a bola rolar na difusão de energia. Se você tem algumas variações de tamanho e isso dá variações de energia, então quando você excita este filme, e você obtém esta população de pontos quânticos excitados, então, alguns deles têm energia superior do que outros, alguns deles são energias mais baixas, então, naturalmente, os excitons que estão nos pontos quânticos de alta energia encontrarão o local de baixa energia, e isso é difusão de energia. Portanto, um pouco de variação de tamanho pode ajudar a acelerar esse processo, "Weidman diz." Se você pensar nisso como uma paisagem montanhosa, você tem esses excitons que estão no topo da colina, e eles encontram uma maneira de rolar até a base da colina, ao passo que se você tivesse um filme completamente homogêneo com energia plana, então você não inicia a difusão de energia tão rapidamente. "
Weidman é o autor principal de Química de Materiais artigo que investigou e caracterizou a formação de superrede de nanocristais de sulfeto de chumbo. "Podemos fazer superredes de longo alcance em que não apenas os pontos quânticos são ordenados, mas seus planos atômicos também estão alinhados, "Weidman explica." Nós também descobrimos que podemos mudar as espécies de ligantes na superfície de nossos pontos quânticos, uma ótima maneira de modificar as propriedades do filme, para espécies mais compactas e funcionais sem perturbar o arranjo da superrede. "Ele atualmente está investigando o transporte de energia por longas distâncias em materiais infravermelhos, que poderia ser aplicável a células solares.
Weidman, um graduado de 26 anos da Universidade de Delaware, vem originalmente de Haddonfield, N.J. Após completar seu doutorado no MIT, ele planeja conseguir um emprego na indústria. “Eu gostaria de continuar trabalhando com nanomateriais, "ele diz." Eu acho que é uma área muito emocionante. "
Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.
