ETH 的研究人員對電流如何在由納米晶體制成的半導體中傳導提供了第一個理論解釋。未來，這可能會導致開發(fā)用于電視屏幕的新傳感器、激光器或 LED。

幾年前，我們接觸到了采用 QLED 技術(shù)的電視屏幕，可產(chǎn)生絢麗的色彩。這里的“Q”代表“量子點”。量子點是由幾千個原子組成的只有幾納米大小的半導體材料晶體。這些納米晶體非常小，以至于其中的電子只能具有某些明確定義的量子機械能級。因此，當量子點被電視的背光照亮時，這些級別之間的量子跳躍會發(fā)出特定顏色的光。

在下一代 QLED 電視中，希望使用電力讓量子點自行發(fā)光，而不需要背光。然而，到目前為止，還缺乏對電流如何通過納米晶體薄膜的理論理解。由 Vanessa Wood 領導的蘇黎世聯(lián)邦理工學院信息技術(shù)和電氣工程系的一組研究人員現(xiàn)在已經(jīng)彌合了這一差距，正如他們在科學雜志《自然通訊》上報道的那樣。

彈簧床墊與桌面

電流如何在非納米尺寸的半導體中移動的理論已經(jīng)為人所知 90 多年，并且存在軟件工具來模擬它們的行為。工業(yè)可以通過故意添加雜質(zhì)原子(摻雜)來控制半導體的電子特性，這會改變自由載流子(電子)的數(shù)量。相比之下，由許多小的納米晶體量子點組成的半導體不能用這些方法處理。

在納米晶體中，添加雜質(zhì)原子不一定會導致自由電荷載流子。此外，免費收費的行為方式不同。“普通半導體中的電荷載體像在光滑桌面上滾動的保齡球一樣移動，而在納米晶體材料中，它們就像軟床墊上的保齡球一樣，沉入其中并使其變形，”伍德解釋了這個問題。

建模要求高

在納米晶體半導體中，電流通過從納米晶體跳躍到納米晶體的電子傳輸。每次跳躍，電子的電荷都會使納米晶體(左上)變形，形成極化子(右上)。信用：蘇黎世聯(lián)邦理工學院

對于理論建模，這意味著納米晶體半導體晶格中的原子不能簡單地視為靜止點，而這通常是對普通半導體所做的。“相反，我們必須用數(shù)學方法描述材料的許多納米晶體中數(shù)十萬個原子中的每一個，以及每個原子如何與電荷載流子相互作用，”在 Wood 研究小組工作的博士 Nuri Yazdani 解釋說。學生，是最近發(fā)表的研究的第一作者。

Yazdani 使用位于盧加諾的瑞士超級計算中心 CSCS 運行了一個復雜的代碼，其中考慮了問題的所有細節(jié)——電子和原子的運動以及它們之間的相互作用。“特別是，我們想了解電荷載流子如何在單個納米晶體之間移動，以及為什么它們會被‘困住’而無法繼續(xù)下去，”亞茲達尼說。

這些計算機模擬的結(jié)果非常具有啟發(fā)性。事實證明，由許多納米晶體組成的材料如何傳導電流的決定因素是晶體的最小變形，只有千分之幾納米，導致靜電能量發(fā)生巨大變化。當電荷使其周圍的材料變形時，這被稱為極化子，Yazdani 的模擬表明，電流流過極化子，從一個納米晶體跳躍到下一個。

一個模型說明一切

該模型解釋了基于納米晶體的半導體的電子特性如何通過改變納米晶體的尺寸以及它們在薄膜中的堆積方式而發(fā)生變化。為了測試他們的模擬預測，該團隊在實驗室中生產(chǎn)了納米晶體薄膜，并測量了不同施加電壓和溫度下的電響應。在這些實驗中，他們使用短激光脈沖在材料的一端產(chǎn)生自由電子，然后觀察它們何時到達另一端。結(jié)果：對于數(shù)百個不同的測試中的每一個，計算機模擬都完美地預測了電氣特性。

“經(jīng)過八年的緊張工作，我們現(xiàn)在已經(jīng)創(chuàng)建了一個模型，它最終不僅可以定量解釋我們的實驗，還可以定量解釋過去幾年許多其他研究小組的實驗，”伍德說。“這樣的模型將使未來的研究人員和工程師能夠在納米晶體半導體生產(chǎn)之前計算其特性。” 這應該可以針對特定應用優(yōu)化此類材料。“到目前為止，這必須通過反復試驗來完成，”伍德補充道。

使用 ETH 研究人員的結(jié)果，未來可以從納米晶體材料中開發(fā)出有用的半導體，用于傳感器、激光器或 LED 的各種應用——也可用于電視屏幕。由于納米晶體的組成、尺寸和排列可以在其生產(chǎn)過程中進行控制，因此與傳統(tǒng)半導體相比，此類材料有望提供更廣泛的電學特性。

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