Ingineria band-gap

Ingineria band-gap este setul de tehnici și procese care permit controlul și proiectarea într-un mod precis a joncțiunilor (zonele interfațiale care apar atunci când materialele sunt puse în contact cu o rețea de cristal diferită) și benzile interzise de materiale, de obicei semiconductoare . Datorită acestor proceduri, se obțin proprietăți electronice și optice precise, rezultate din crearea de noi stări electronice. Stările electronice sunt determinate de cuplarea diferitelor aliaje și metale semiconductoare în straturi adiacente. În general, ingineria de band-gap se realizează pe o scară nanometrică , deoarece este mai ușor de controlat nepotrivirea rețelelor la interfața dintre straturi, astfel încât să se evite defectele de cristal. Ingineria band-gap își găsește aplicațiile majore în domeniile fotonice , cum ar fi fotoluminiscența și foto-absorbția, în câmpurile energetice, cum ar fi stocarea energiei și conversia acesteia, în dispozitive precum celulele fotovoltaice și în multe dispozitive electronice mari.

Descriere

Ingineria band-gap este de obicei realizată cu materiale semiconductoare fie prin controlul compoziției aceluiași aliaj, fie prin îmbinarea straturilor cu compoziții diferite.

Ideea de bază este că noii semiconductori pot fi creați prin legarea și amestecarea altor semiconductori, obținându-se astfel gap-band cu caracteristicile dorite.

Pentru a facilita studiul ingineriei band-gap în semiconductori, au fost create grafice care raportează energia gap-band-ului din aliajele semiconductoare în funcție de parametrul rețelei. Prin urmare, este posibil să se identifice tipul de substrat care trebuie utilizat pentru a crea structura care prezintă ingineria intervalului de bandă în funcție de materialul care urmează să fie depus, putând cunoaște anterior nepotrivirea din latex, evitând formarea dislocărilor la nivelul interfață. De asemenea, este posibil să se determine compoziția precisă a aliajului semiconductor adecvat pentru a avea spațiul de bandă dorit.

Diagramă care leagă parametrul de rețea al diferiților semiconductori la energia relativă a bandelor. Deținând aceste informații, este posibil să vă proiectați propriul material în cel mai bun mod posibil, creând eventual aliaje pentru a obține spațiul de bandă specific dorit. Limita maximă de 3% a nepotrivirii rețelelor în cazul straturilor de semiconductori în contact a fost exemplificată cu o zonă verde.

Afinitate electronică

Un alt parametru important în studiul ingineriei band-gap este afinitatea electronică care indică energia maximă transferată electronului semiconductorului înainte ca acesta să fie îndepărtat din material.

Valoarea sa este determinată de diferența dintre nivelul vidului $E_{0}$ ${\ displaystyle E_ {0}}$ $E_ {0}$ și nivelul benzii de conducere $E_{c}$ ${\ displaystyle E_ {c}}$ ${\ displaystyle E_ {c}}$

$\chi =\ E_{0}-E_{C}$ ${\ displaystyle \ chi = \ E_ {0} -E_ {C}}$ ${\ displaystyle \ chi = \ E_ {0} -E_ {C}}$

Regula afinității electronice ( regula lui Anderson ) afirmă că, atunci când se construiește o diagramă a benzii de energie a joncțiunilor dintre semiconductori, nivelurile de vid trebuie aliniate, pentru a permite calcularea discontinuității din banda de conducere și valența dintre diferitele semiconductori:

$\Delta E_{c}=E_{cB}-E_{cA}=e(\chi _{B}-\chi _{A})$ ${\ displaystyle \ Delta E_ {c} = E_ {cB} -E_ {cA} = e (\ chi _ {B} - \ chi _ {A})}$ ${\ displaystyle \ Delta E_ {c} = E_ {cB} -E_ {cA} = e (\ chi _ {B} - \ chi _ {A})}$

$\Delta E_{v}=E_{vB}-E_{vA}=e(\chi _{B}-\chi _{A})+\Delta E_{g}$ ${\ displaystyle \ Delta E_ {v} = E_ {vB} -E_ {vA} = e (\ chi _ {B} - \ chi _ {A}) + \ Delta E_ {g}}$ ${\ displaystyle \ Delta E_ {v} = E_ {vB} -E_ {vA} = e (\ chi _ {B} - \ chi _ {A}) + \ Delta E_ {g}}$

unde este $\Delta E_{c}$ ${\ displaystyle \ Delta E_ {c}}$ ${\ displaystyle \ Delta E_ {c}}$ este discontinuitatea din banda de conducere, $\Delta E_{v}$ ${\ displaystyle \ Delta E_ {v}}$ ${\ displaystyle \ Delta E_ {v}}$ este discontinuitatea în banda de valență, $E_{cB}$ ${\ displaystyle E_ {cB}}$ ${\ displaystyle E_ {cB}}$ este banda de conducție pentru semiconductorul B, $E_{cA}$ ${\ displaystyle E_ {cA}}$ ${\ displaystyle E_ {cA}}$ este banda de conducție pentru semiconductorul A, $E_{vB}$ ${\ displaystyle E_ {vB}}$ ${\ displaystyle E_ {vB}}$ este banda de valență a lui B, $E_{vA}$ ${\ displaystyle E_ {vA}}$ ${\ displaystyle E_ {vA}}$ este banda de valență a lui A, $\chi _{B}$ ${\ displaystyle \ chi _ {B}}$ ${\ displaystyle \ chi _ {B}}$ este afinitatea electronică a lui B, $\chi _{A}$ ${\ displaystyle \ chi _ {A}}$ $\ chi_A$ este afinitatea electronică a lui A, " $Și$ ${\ displaystyle e}$ $Și$ "este sarcina electronului, $\Delta E_{g}$ ${\ displaystyle \ Delta E_ {g}}$ $\ Delta E_g$ este diferența dintre band-gap-urile celor două materiale.

Joncţiune

Un alt parametru fundamental pentru ingineria band-gap este tipul de joncțiune: putem distinge joncțiunea omogenă (cum ar fi joncțiunile p - n ), heterojuncția și joncțiunea Schottky , care este o joncțiune între un metal și un semiconductor.

Închiderea cuantică

Îngrădirea cuantică este fenomenul fizic prin care mișcarea electronilor și a găurilor este limitată la una sau mai multe dimensiuni prin intermediul unor bariere potențiale. Acest fenomen fizic apare atunci când dimensiunea materialului este comparabilă cu dublul razei Bohr . Când materialele ating dimensiunea respectivă, proprietățile fizice și optoelectronice variază substanțial față de proprietățile materialului în vrac.

Cea mai importantă consecință a confinare cuantică este dimensiunea dependența banda-gap pentru semiconductori nanocristaline. De fapt, prin limitarea excitonului semiconductorului, decalajul de bandă poate fi modificat într-un mod precis în funcție de dimensiunea și gradul de confinare.

Există trei tipuri de structuri cuantice limitate:

Quantum Well : O dimensiune restrânsă, purtătorii de sarcină au libertate de mișcare în celelalte două.
Sârmă cuantică : două dimensiuni limitate, suporturile de încărcare au libertatea de mișcare într-o singură dimensiune.
Punct cuantic : Trei dimensiuni limitate, suporturile de încărcare nu au libertate de mișcare în nicio direcție.

Închiderea excitonului poate fi descrisă de problema „particulei din puțul potențial ” (electron într-o cutie) . De fapt, dacă vă aflați într-o stare de închidere, spectrul energetic devine cuantificabil, adică vă permite să obțineți o serie de benzi discrete de energie. O creștere a gradului de închidere duce la o mai mare discretizare a benzilor de energie și, prin urmare, a benzii interzise. ^[1]

Inginerie band-gap 0D

Ingineria 0-band-gap se realizează în principal pe nanocristale semiconductoare în soluție coloidală, cunoscute și sub denumirea de „ puncte cuantice ” ( nanoparticule ). În special, nanocristalele semiconductoare sunt sisteme heterostructurate de bază / carcasă . În special, distanța de bandă poate fi proiectată prin compoziție, dimensiune și aliaje.

Compoziţie

Pe baza compoziției diferiților semiconductori și a poziției spațiale a conducției relative și a benzilor de valență, există trei tipuri de sisteme core / shell , unde este indicat prin $E_{g}$ ${\ displaystyle E_ {g}}$ ${\ displaystyle E_ {g}}$ ca energie de band-gap: ^[2]

Primul tip

Exemplu descriptiv de structură energetică și tridimensională a unei nanoparticule core-shell de primul tip. Banda interzisă a stratului exterior este mai mare decât cea a stratului interior.

$E_{g}$ ${\ displaystyle E_ {g}}$ ${\ displaystyle E_ {g}}$ coajă > $E_{g}$ ${\ displaystyle E_ {g}}$ ${\ displaystyle E_ {g}}$ nucleu. Exemplu: CdS / ZnSe

Electronii și găurile sunt limitate la miez. Structura este utilizată pentru pasivarea suprafeței miezului cu scopul de a crește proprietățile optice. De fapt, învelișul , care acoperă miezul , creează o gaură potențială care concentrează purtătorii de sarcină departe de interfața din interiorul nanoparticulelor și pasive legăturile de suprafață care pot acționa ca capcane pentru purtătorii de sarcină, reducând astfel eficiența .

Al doilea tip

Banda de conducere și valența miezului sunt ambele mai înalte sau mai mici decât marginile benzii de coajă . Exemplu: CdS / ZnTe

În acest caz există o separare a găurilor și a electronilor. Este utilizat pentru dispozitive fotovoltaice, în special la dezvoltarea materialelor anizotrope, unde segregarea sarcinilor este direcțională.

Primul tip invers

$E_{g}$ ${\ displaystyle E_ {g}}$ ${\ displaystyle E_ {g}}$ coajă < $E_{g}$ ${\ displaystyle E_ {g}}$ ${\ displaystyle E_ {g}}$ nucleu . Exemplu: ZnS / CdSe

Aveți șanse mai mari să găsiți purtători de încărcare în carcasă . Pe măsură ce grosimea stratului exterior crește, lungimea de undă a emisiilor și, prin urmare, diferența de bandă se schimbă (cu creșterea grosimii, am o deplasare a lungimilor de undă de fluorescență spre roșu). Eficiența cuantică a nanocristalului poate fi îmbunătățită prin adăugarea unei a doua carcase.

Dimensiune

În nanocristalele de material semiconductor este posibil să se exprime în termeni de band-gap, energia de emisie în funcție de material și dimensiunea acestuia. Acest lucru poate fi exprimat prin formula Brus : ^[3]

$\Delta E(r)=E_{\mathrm {gap} }+{\frac {h^{2}}{8r^{2}}}\left({\frac {1}{m_{\mathrm {e} }^{*}}}+{\frac {1}{m_{\mathrm {h} }^{*}}}\right).$ ${\ displaystyle \ Delta E (r) = E _ {\ mathrm {gap}} + {\ frac {h ^ {2}} {8r ^ {2}}} \ left ({\ frac {1} {m _ {\ mathrm {e}} ^ {*}}} + {\ frac {1} {m _ {\ mathrm {h}} ^ {*}}} \ right).}$ ${\ displaystyle \ Delta E (r) = E _ {\ mathrm {gap}} + {\ frac {h ^ {2}} {8r ^ {2}}} \ left ({\ frac {1} {m _ {\ mathrm {e}} ^ {*}}} + {\ frac {1} {m _ {\ mathrm {h}} ^ {*}}} \ right).}$

Unde este:

$\Delta E(r)$ ${\ displaystyle \ Delta E (r)}$ ${\ displaystyle \ Delta E (r)}$ : band-gap eficient

$E_{gap}$ ${\ displaystyle E_ {gap}}$ ${\ displaystyle E_ {gap}}$ : material band-gap

$h$ ${\ displaystyle h}$ $h$ : Constanta lui Planck

$r$ ${\ displaystyle r}$ $r$ : raza nanocristalului

$m_{\mathrm {e} }^{*}$ ${\ displaystyle m _ {\ mathrm {e}} ^ {*}}$ ${\ displaystyle m _ {\ mathrm {e}} ^ {*}}$ : masa efectivă a electronului

$m_{\mathrm {h} }^{*}$ ${\ displaystyle m _ {\ mathrm {h}} ^ {*}}$ ${\ displaystyle m _ {\ mathrm {h}} ^ {*}}$ : masa efectivă a găurii

În cazul particular al nanocristalelor într-o soluție coloidală, ipotezele „particulei din puțul potențial” nu mai sunt valabile pentru că nu va mai exista un potențial $V=\infty$ ${\ displaystyle V = \ infty}$ ${\ displaystyle V = \ infty}$ care limitează suprafața nanocristalului, dar vor exista energiile orbitelor de margine corespunzătoare ale solventului în care este imersat sistemul. Prin urmare, valorile proprii ale ecuației Schroedinger vor avea valori diferite de cele calculate în problema particulei din puțul potențial și, prin urmare, ecuația Brus este parțial greșită. Acest lucru înseamnă că probabilitatea de a găsi purtători de sarcină în afara barierelor potențiale ale nanoparticulelor nu mai este zero și acest lucru poate duce la o pierdere a purtătorilor de sarcină și, prin urmare, o pierdere ipotetică a eficienței cuantice.

Alocație

La interfața solidă / solidă între miez și înveliș există un anumit grad de stres datorită constantei diferite de rețea a celor doi semiconductori. Acest stres la interfață poate acționa ca o „capcană” pentru purtătorii de sarcină și poate deveni un loc de recombinare radiativă sau nu, a excitonului. Acest lucru poate duce la o pierdere a purtătorilor de sarcină și, astfel, la o scădere a eficienței cuantice a nanocristalelor. Această problemă poate fi rezolvată prin aliere.

Prin aducerea sistemului la temperaturi cuprinse între 250-350 ° C, este posibil să se obțină un strat de interdifuzie la interfața dintre miez și carcasă care scade tensiunile datorită diferenței dintre constantele de rețea. În cazul în care durata tratamentului termic este ridicată, se obține o aliere completă grație echilibrului termodinamic, aducând o heterostructură la o structură omogenă, un aliaj al celor doi semiconductori de pornire.

Band-gap-ul obținut atât în stratul de interdifuzie, cât și în nanocristalul omogen creat poate fi exprimat prin intermediul legii lui Vegard extinsă la band-gap.

Presupunând că avem nucleul CdSe și carcasa lui ZnSe, decalajul de bandă al aliajului, folosind Legea lui Vegard, va fi:

$E_{g}\ (Cd_{x}Zn_{1-x}Se)=xE_{g}(CdSe)+(1-x)E_{g}(ZnSe)+b(1-x)$ ${\ displaystyle E_ {g} \ (Cd_ {x} Zn_ {1-x} Se) = xE_ {g} (CdSe) + (1-x) E_ {g} (ZnSe) + b (1-x)}$ ${\ displaystyle E_ {g} \ (Cd_ {x} Zn_ {1-x} Se) = xE_ {g} (CdSe) + (1-x) E_ {g} (ZnSe) + b (1-x)}$

Unde b este paramaterul care se înclină .

Inginerie band-gap 1D

Inginerie band-gap 2D

Sinteză

În ceea ce privește sinteza structurilor care permit ingineria bandgap, unele dintre condițiile fundamentale sunt energia interfacială, miscibilitatea materialelor și nepotrivirea latexului. Unii parametri fundamentali, pe de altă parte, sunt alegerea reactivului adecvat pentru depunerea materialului ales, secvența de inserție a reactivilor, controlul cinetic al introducerii reactivilor, selecția lianților organici de suprafață atunci când acest lucru este cerut de morfologia care trebuie obținută.

SILAR (Adsorbția și reacția succesivă a straturilor de ioni)

Tehnica SILAR, care poate fi redată în italiană ca adsorbție și reacție a nivelurilor ionice succesive, se află la baza realizării structurilor nanometrice multistrat și poate fi implementată, cu diverse precauții, pe obiecte 0D, 1D sau 2D. Dezvoltarea inițială a tehnicii SILAR a avut loc pentru producerea de structuri bidimensionale.

În ceea ce privește sinteza prin straturi ionice succesive efectuată pe structuri bidimensionale, aceasta poate fi schematizată prin următoarea formulă ^[4] :

$(pK_{aq}^{a+}+qX_{aq}^{b-})_{l}+(b'Y_{aq}^{q'+}+aA^{p-})_{l}\rightarrow pKaA_{s}\downarrow +qX_{aq}^{b-}+b'Y_{aq}^{q'+}$ ${\ displaystyle (pK_ {aq} ^ {a +} + qX_ {aq} ^ {b -}) _ {l} + (b'Y_ {aq} ^ {q '+} + aA ^ {p -}) _ {l} \ rightarrow pKaA_ {s} \ downarrow + qX_ {aq} ^ {b -} + b'Y_ {aq} ^ {q '+}}$ ${\ displaystyle (pK_ {aq} ^ {a +} + qX_ {aq} ^ {b -}) _ {l} + (b'Y_ {aq} ^ {q '+} + aA ^ {p -}) _ {l} \ rightarrow pKaA_ {s} \ downarrow + qX_ {aq} ^ {b -} + b'Y_ {aq} ^ {q '+}}$

În cazul în care K reprezintă cation, p numărul de cationi, o sarcina numerică a cation, X un ion cu sarcină negativă în precursorul cationic, q numărul de ioni, b sarcina numerică a ionilor, Y ionul legat la ionul calcogen ( elemente din grupa 16 ), b ' numărul lui Y, q' sarcina numerică a lui Y, A anionul calcogen și a ' numărul lui A.

În cazul prezenței unui agent de complexare în reacție, formula poate fi modificată după cum urmează:

$P[(KC)^{a+}]_{aq}+qX_{aq}^{b-}+b'Y_{aq}^{q'+}+aA^{p-}\rightarrow pKaA_{s}\downarrow +qX_{aq}^{b-}+b'Y_{aq}^{q'+}+C$ ${\ displaystyle P [(KC) ^ {a +}] _ {aq} + qX_ {aq} ^ {b -} + b'Y_ {aq} ^ {q '+} + aA ^ {p -} \ rightarrow pKaA_ {s} \ downarrow + qX_ {aq} ^ {b -} + b'Y_ {aq} ^ {q '+} + C}$ ${\ displaystyle P [(KC) ^ {a +}] _ {aq} + qX_ {aq} ^ {b -} + b'Y_ {aq} ^ {q '+} + aA ^ {p -} \ rightarrow pKaA_ {s} \ downarrow + qX_ {aq} ^ {b -} + b'Y_ {aq} ^ {q '+} + C}$

Unde C indică agentul de complexare.

Pașii fundamentali ai creșterii prin SILAR pot fi identificați în:

Adsorbție , etapă în care cationii prezenți în soluția de precursor sunt adsorbiți pe suprafața substratului și formează dublu strat electric Helmholtz . Acesta constă din stratul interior, încărcat pozitiv datorită cationilor și stratului exterior, încărcat negativ de cationii contra.

Prima clătire: această etapă este efectuată pentru a elimina excesul de ioni adsorbiți din stratul de difuzie, $pK^{a+}$ ${\ displaystyle pK ^ {a +}}$ ${\ displaystyle pK ^ {a +}}$ Și $qX^{b-}$ ${\ displaystyle qX ^ {b-}}$ ${\ displaystyle qX ^ {b-}}$ și obțineți un strat saturat. Soluția cu care se efectuează de obicei clătirea este apă foarte purificată și deionizată.

Reacție: în această etapă a procedurii sunt introduse speciile anionice $aA^{p-}$ ${\ displaystyle aA ^ {p-}}$ ${\ displaystyle aA ^ {p-}}$ prin precursorul adecvat și, datorită stabilității scăzute a compusului, se creează un strat de material de compoziție pe substrat $pKaA_{s}$ ${\ displaystyle pKaA_ {s}}$ ${\ displaystyle pKaA_ {s}}$ datorită reacției dintre cationi și anioni, primul legat de substrat și cel de-al doilea în soluție.

A doua clătire: ultima etapă a procesului SILAR, unde toate speciile în exces, care se află în stratul de difuzie, sunt eliminate.

În urma acestui ciclu de operații, un strat de material este depus la un moment dat și rezultatul obținut, în ceea ce privește creșterea epitaxială a suprafețelor ^[5] , poate fi comparat cu tehnologii de caracterizare a structurilor precum spectroscopia optică, TEM , XRD , XPS . Se vede experimental că grosimea straturilor depuse nu este niciodată de un strat atomic precis, ci întotdeauna mai mare sau mai mică. Aceste inexactități se datorează calității soluțiilor precursoare, valorilor lor de pH, concentrațiilor, contraionilor și timpilor de înmuiere și clătire respectivi.

Un exemplu de creștere prin tehnica SILAR a structurilor non-bidimensionale este legat de producția de structuri zero-dimensionale: nanoparticule core-shell (adică cu o structură internă și externă diferențiată de o interfață, respectiv numită core și shell ). Realizarea structurilor de acest tip folosește creșterea straturilor cationice simple într-un mod similar cu ceea ce se întâmplă în cazul bidimensional, cu diferența că substratul în acest caz sunt nanoparticule reale și nu o placă de sticlă și că, din cauza acest lucru nu poate exista clătiri în urma injecțiilor precursorului componentelor.

Exemplul realizării punctelor cuantice core-shell $CdTe/CdS$ ${\ displaystyle CdTe / CdS}$ ${\ displaystyle CdTe / CdS}$ vă poate ajuta să înțelegeți procesul. După obținerea compoziției nanoparticule $C. d T. Și$ ${\ displaystyle CdTe}$ ${\ displaystyle CdTe}$ , stabilizate în acid 3-mercaptopropionic (MPA), acestea sunt plasate într-o soluție într-un pahar cu trei gâturi și încălzite până la temperatura dorită, în acest moment soluțiile precursoare de cadmiu și sulf sunt plasate în aceeași soluție în cantități determinată de calculul numărului de atomi de suprafață ai unei nanoparticule în funcție de mărimea acesteia și într-o manieră controlată la o viteză de 0,1 mol / min. Cu cât doriți să adăugați mai multe straturi la sistem, cu atât trebuie să fie mai voluminoasă soluția de precursor injectată. ^[6] Pentru procedura prezentată aici, dacă doriți să acoperiți un singur strat de $C. d S.$ ${\ displaystyle CdS}$ ${\ displaystyle CdS}$ o soluție 2 $\mu mol$ ${\ displaystyle \ mu mol}$ ${\ displaystyle \ mu mol}$ din $C. d T. Și$ ${\ displaystyle CdTe}$ ${\ displaystyle CdTe}$ cu un diametru de 1,5 nm, vor fi necesari 2,8 ml soluție de cadmiu și precursor de sulf.

Importanța sintezei unor astfel de structuri constă în posibila mare alegere a componentelor pentru sistem, care permite o inginerie foarte variată a band-gap, întotdeauna în condițiile creșterii epitaxiale.

Schimb cationic

Această tehnică face parte din cele mai recente progrese în tehnologiile de sinteză a nanocristalelor și, în general, a structurilor coloidale nanometrice necesare pentru a avea o complexitate ridicată. Schimbul cationic poate fi mai bine identificat ca un proces de modificare chimică post-sinteză , în loc de o sinteză reală, baza urmează, de fapt, să înlocuiască speciile cationice prezente în material cu altele prezente în soluția în care materialul. Tehnica este cunoscută încă din secolul trecut pentru structurile macroscopice (cristale, dar și minerale, precum substituția minerală geologică care are loc în $CaCO_{3}$ ${\ displaystyle CaCO_ {3}}$ ${\ displaystyle CaCO_ {3}}$ Și $Al_{2}SiO_{5}$ ${\ displaystyle Al_ {2} SiO_ {5}}$ ${\ displaystyle Al_ {2} SiO_ {5}}$ ), dar timpul de schimb în material durează prea mult, timp inoperant. Avantajele aduse de nanoscală sunt un acces ridicat la suprafață și o reducere substanțială a barierelor de difuzie ionică care duc la finalizarea schimbului de cationi în nanocristale în timpuri de ordinul secundelor.

Alte avantaje ale schimbului de cationi pot fi identificate în realizarea hetero-structurilor dependente de fază și de miscibilitatea componentelor prezente. Datorită condițiilor termodinamice la nanoscală, este posibil să se ajungă la faze metastabile ale structurii care nu ar putea fi obținute la macroscală. Miscibilitatea și procentul de schimb cationic al structurilor implică realizarea posibilă a structurilor core-shell sau a unui nanocristal dopat simplu. Posibilitățile acordate sunt limitate doar de cunoașterea tabelului periodic și de utilizarea atentă a acestuia.

Mecanismul prin care se efectuează schimbul de cationi poate fi schematizat într-o reacție de tipul:

$M^{n+}(liquido)+CA(cristallo)\rightarrow C^{n+}(liquido)+MA(cristallo)$ ${\ displaystyle M ^ {n +} (lichid) + CA (cristal) \ dreapta C ^ {n +} (lichid) + MA (cristal)}$ ${\ displaystyle M ^ {n +} (lichid) + CA (cristal) \ dreapta C ^ {n +} (lichid) + MA (cristal)}$

unde M este ionul metalic al soluției introduse, C și A sunt respectiv cationul și anionul materialului de bază, n este sarcina ionului de intrare și în acest caz și a ionului de bază al materialului pentru a exemplifica un izovalent reacție, stare care nu apare întotdeauna. Luând ca exemplu schimbul de cationi care are loc în sistem $CdS\rightleftarrows Cu_{2}S$ ${\ displaystyle CdS \ rightleftarrows Cu_ {2} S}$ ${\ displaystyle CdS \ rightleftarrows Cu_ {2} S}$ , și controlul energiilor asociate cu diferiții pași ai reacției:

${\begin{matrix}CA\rightarrow C+A&dissociazione,160{\dfrac {kJ}{mol}}\\M^{n+}\rightarrow M&desolvatazione,400{\dfrac {kJ}{mol}}\\M+A\rightarrow MA&associazione,-130{\dfrac {kJ}{mol}}\\C\rightarrow C^{n+}&solvatazione,-1575{\dfrac {kJ}{mol}}\end{matrix}}$ ${\ displaystyle {\ begin {matrix} CA \ rightarrow C + A & disociere, 160 {\ dfrac {kJ} {mol}} \\ M ^ {n +} \ rightarrow M & desolvation, 400 {\ dfrac {kJ} {mol}} \ \ M + A \ rightarrow MA & association, -130 {\ dfrac {kJ} {mol}} \\ C \ rightarrow C ^ {n +} & solvation, -1575 {\ dfrac {kJ} { mol}} \ end {matrix}}}$ ${\ displaystyle {\ begin {matrix} CA \ rightarrow C + A & disociere, 160 {\ dfrac {kJ} {mol}} \\ M ^ {n +} \ rightarrow M & desolvation, 400 {\ dfrac {kJ} {mol}} \ \ M + A \ rightarrow MA & association, -130 {\ dfrac {kJ} {mol}} \\ C \ rightarrow C ^ {n +} & solvation, -1575 {\ dfrac {kJ} { mol}} \ end {matrix}}}$

Din suma energiilor de reacție ale subreacțiilor, se vede clar că în acest caz cea mai mare contribuție este dată de solvatarea a ceea ce a fost cationul de bază al metalului, ceea ce înseamnă că o solvabilitate mai bună a ionului de cadmiu în soluția gazdă, va favoriza toată reacția de schimb cationic. ^[7]

Marea diversitate de reacții posibile face ca această metodă de sinteză atractivă pentru inginerie bandgap, care vă permite să modificați în voie, prin asocierea a interfețelor dintre materialele selectate, benzile de energie ale materialelor produse, permițându - vă să alegeți proprietățile lor a priori. Optoelectronică . Un alt avantaj al realizării nanostructurilor prin această metodă de sinteză este dat de posibilitatea de a obține materiale biocompatibile, dificil de sintetizat direct ca nanoparticule, care au proprietăți electrice, astfel încât să poată acționa ca bio-markeri. ^[8]

Aplicații

Există numeroase implicații practice ale ingineriei band-gap, trecem de la domeniul electronicii la cel al fotonicii, de la fotovoltaic la stocarea energiei. Aici sunt cateva exemple. ^[9]

Tranzistor

Tranzistoarele sunt dispozitive electronice formate din materiale semiconductoare care vă permit să reglați fluxul de curent într-un circuit electric.

De-a lungul anilor au fost dezvoltate diferite modele cu caracteristici diferite, tranzistoarele bipolare heterojuncționale (HBT) sunt un exemplu al modului în care ingineria intervalului de bandă permite obținerea de îmbunătățiri ale performanței.

Diagrama de bandă a unui tranzistor dopat npn, unde posibilele modificări ale gap-ului de bandă care pot fi implementate prin tehnici de modificare compozițională treptată la interfață și adăugarea straturilor de material semiconductor sunt evidențiate de liniile verzi. BC și BV sunt benzile de conducere și, respectiv, de valență.

HBT-urile sunt formate din trei componente: emițător, bază și colector. Spre deosebire de tranzistoarele de joncțiune bipolare , semiconductorii de natură diferită sunt utilizați în HBT. Utilizarea diferiților semiconductori permite îmbunătățirea performanței dispozitivului, de exemplu prin utilizarea de materiale cu bandă mai mare în emițător sau prin modificarea compoziției bazei pentru a accelera trecerea electronilor. Un exemplu de realizare a unui gap de bandă de acest tip, în care trecerea electronilor este facilitată prin schimbarea compoziției semiconductoarelor (modificarea poate fi limitată și la o distanță de ordinul nanometrilor). ^[10] ^[11]

Celule solare

Ingineria band-gap își găsește aplicația și în celulele solare noi. Majoritatea celulelor solare sunt compuse din straturi de materiale semiconductoare. Alegerea cuplajelor, a dopajului și a dimensiunilor acestor straturi sunt operații care permit proiectarea benzilor de conducere și valență. În acest fel, este posibil să se îmbunătățească absorbția spectrului solar, să se accelereze transportul încărcăturilor în dispozitiv sau să se creeze zone de închidere pentru încărcături sau găuri. Prin urmare, este posibil să se obțină structuri complexe în funcție de modul în care va fi utilizată celula. ^[12]

Alte aplicații pot implica dispozitive sau afișaje de iluminat, în care sunt utilizate straturi de film subțire sau nanofire semiconductoare. Prin exploatarea anumitor compoziții și combinații de materiale, este posibil să se obțină surse de lumină eficiente și ieftine. Acestea nu au fost încă dezvoltate, dar în viitor ar putea fi capabile să utilizeze lasere albe sau multicolore pentru a îmbunătăți în continuare eficiența și durabilitatea dispozitivelor. ^[9]

Notă

^ Andrew M. Smith și Shuming Nie, Nanocristale semiconductoare: structură, proprietăți și inginerie de bandă , în Conturi de cercetare chimică , vol. 43, nr. 2, 16 februarie 2010, pp. 190-200, DOI : 10.1021 / ar9001069 . Adus la 1 iulie 2019 .
^ Rajib Ghosh Chaudhuri și Santanu Paria, Core / Shell Nanoparticles: Classes, Properties, Synthesis Mechanisms, Characterization, and Applications , în Chemical Reviews , vol. 112, nr. 4, 11 aprilie 2012, pp. 2373-2433, DOI : 10.1021 / cr100449n . Adus la 1 iulie 2019 .
^ L. BRUS, ChemInform Abstract: Electronic Wave Functions in semiconductor Clusters: Experiment and Theory , în Chemischer Informationsdienst , vol. 17, n. 37, 16 septembrie 1986, DOI : 10.1002 / bărbie . 198637338 . Adus la 1 iulie 2019 .
^ (EN) HM Pathan și Lokhande CD, Depunerea filmelor subțiri de calcogenură metalică prin metoda succesivă de adsorbție și reacție a stratului ionic (SILAR) , în Buletinul științei materialelor, vol. 27, n. 2, 1 aprilie 2004, pp. 85-111, DOI : 10.1007 / BF02708491 . Adus pe 29 iunie 2019 .
^ J. Jack Li, Y. Andrew Wang și Wenzhuo Guo, Sinteza pe scară largă a nanocristalelor CdSe / CdS Core / Shell aproape monodisperse folosind reactivi stabili la aer prin adsorbție și reacție succesivă a stratului ionic , în Journal of the American Chemical Society , vol. . 125, nr. 41, 1 octombrie 2003, pp. 12567-12575, DOI : 10.1021 / ja0363563 . Adus la 30 iunie 2019 .
^ Qinghui Zeng, Xianggui Kong and Yajuan Sun, Synthesis and Optical Properties of Type II CdTe / CdS Core / Shell Quantum Dots in Aqueous Solution via Successive Layer Ion Adsorption and Reaction , in The Journal of Physical Chemistry C , vol. 112, nr. 23, 1 iunie 2008, pp. 8587-8593, DOI : 10.1021 / jp711395f . Adus la 30 iunie 2019 .
^ (EN) Prashant K. Jain și Jessy B. Rivest, Cation exchange on the nanoscale: o tehnică emergentă pentru sinteza materialelor noi, fabricarea dispozitivelor și detectarea chimică , în Chemical Society Reviews, vol. 42, n. 1, 3 decembrie 2012, pp. 89-96, DOI : 10.1039 / C2CS35241A . Adus la 30 iunie 2019 .
^ Chi Chen, Xuewen He și Li Gao, Sinteza apoasă ușoară bazată pe schimbul de cationi , a punctelor cuantice Ag2Te / ZnS Core / Shell, cu puncte cuantice mici, stabile și netoxice care emit în a doua fereastră biologică , în Materiale și interfețe aplicate ACS , vol. . 5, nr. 3, 13 februarie 2013, pp. 1149-1155, DOI : 10.1021 / am302933x . Adus la 30 iunie 2019 .
^ ^A ^b (EN) Peidong Yang, Letian Dou și Cun-Zheng Ning, inginerie Bandgap în nanomateriale din aliaj semiconductor cu compoziții pe scară largă , în Nature Reviews Materials, vol. 2, nr. 12, 2017-12, p. 17070, DOI : 10.1038 / natrevmats.2017.70 . Adus la 1 iulie 2019 .
^ (EN) DL Pulfrey, Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering , American Cancer Society, 1999 DOI : 10.1002 / 047134608x.w3132 , ISBN 9780471346081 . Adus la 1 iulie 2019 .
^ (EN) și Simon M. Sze Kwok K. Ng, Physics of Semiconductor Devices , John Wiley & Sons, 3 noiembrie 2006, ISBN 9780470068304 . Adus la 1 iulie 2019 .
^ (EN) Vossier Alexis, Alain Dollet și Eugene A. Katz Band Gap Ingineria celulelor solare cu mai multe joncțiuni: Efectele rezistențelor seriei și ale concentrării solare în rapoartele științifice, vol. 7, nr. 1, 11 mai 2017, p. 1766, DOI : 10.1038 / s41598-017-01854-6 . Adus la 1 iulie 2019 .

Portalul de fizică

Portale Ingegneria

[1] Andrew M. Smith și Shuming Nie, Nanocristale semiconductoare: structură, proprietăți și inginerie de bandă , în Conturi de cercetare chimică , vol. 43, nr. 2, 16 februarie 2010, pp. 190-200, DOI : 10.1021 / ar9001069 . Adus la 1 iulie 2019 .

[2] Rajib Ghosh Chaudhuri și Santanu Paria, Core / Shell Nanoparticles: Classes, Properties, Synthesis Mechanisms, Characterization, and Applications , în Chemical Reviews , vol. 112, nr. 4, 11 aprilie 2012, pp. 2373-2433, DOI : 10.1021 / cr100449n . Adus la 1 iulie 2019 .

[3] L. BRUS, ChemInform Abstract: Electronic Wave Functions in semiconductor Clusters: Experiment and Theory , în Chemischer Informationsdienst , vol. 17, n. 37, 16 septembrie 1986, DOI : 10.1002 / bărbie . 198637338 . Adus la 1 iulie 2019 .

[4] (EN) HM Pathan și Lokhande CD, Depunerea filmelor subțiri de calcogenură metalică prin metoda succesivă de adsorbție și reacție a stratului ionic (SILAR) , în Buletinul științei materialelor, vol. 27, n. 2, 1 aprilie 2004, pp. 85-111, DOI : 10.1007 / BF02708491 . Adus pe 29 iunie 2019 .

[5] J. Jack Li, Y. Andrew Wang și Wenzhuo Guo, Sinteza pe scară largă a nanocristalelor CdSe / CdS Core / Shell aproape monodisperse folosind reactivi stabili la aer prin adsorbție și reacție succesivă a stratului ionic , în Journal of the American Chemical Society , vol. . 125, nr. 41, 1 octombrie 2003, pp. 12567-12575, DOI : 10.1021 / ja0363563 . Adus la 30 iunie 2019 .

[6] Qinghui Zeng, Xianggui Kong and Yajuan Sun, Synthesis and Optical Properties of Type II CdTe / CdS Core / Shell Quantum Dots in Aqueous Solution via Successive Layer Ion Adsorption and Reaction , in The Journal of Physical Chemistry C , vol. 112, nr. 23, 1 iunie 2008, pp. 8587-8593, DOI : 10.1021 / jp711395f . Adus la 30 iunie 2019 .

[7] (EN) Prashant K. Jain și Jessy B. Rivest, Cation exchange on the nanoscale: o tehnică emergentă pentru sinteza materialelor noi, fabricarea dispozitivelor și detectarea chimică , în Chemical Society Reviews, vol. 42, n. 1, 3 decembrie 2012, pp. 89-96, DOI : 10.1039 / C2CS35241A . Adus la 30 iunie 2019 .

[8] Chi Chen, Xuewen He și Li Gao, Sinteza apoasă ușoară bazată pe schimbul de cationi , a punctelor cuantice Ag2Te / ZnS Core / Shell, cu puncte cuantice mici, stabile și netoxice care emit în a doua fereastră biologică , în Materiale și interfețe aplicate ACS , vol. . 5, nr. 3, 13 februarie 2013, pp. 1149-1155, DOI : 10.1021 / am302933x . Adus la 30 iunie 2019 .

[:0-9] A ^b (EN) Peidong Yang, Letian Dou și Cun-Zheng Ning, inginerie Bandgap în nanomateriale din aliaj semiconductor cu compoziții pe scară largă , în Nature Reviews Materials, vol. 2, nr. 12, 2017-12, p. 17070, DOI : 10.1038 / natrevmats.2017.70 . Adus la 1 iulie 2019 .

[10] (EN) DL Pulfrey, Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering , American Cancer Society, 1999 DOI : 10.1002 / 047134608x.w3132 , ISBN 9780471346081 . Adus la 1 iulie 2019 .

[11] (EN) și Simon M. Sze Kwok K. Ng, Physics of Semiconductor Devices , John Wiley & Sons, 3 noiembrie 2006, ISBN 9780470068304 . Adus la 1 iulie 2019 .

[12] (EN) Vossier Alexis, Alain Dollet și Eugene A. Katz Band Gap Ingineria celulelor solare cu mai multe joncțiuni: Efectele rezistențelor seriei și ale concentrării solare în rapoartele științifice, vol. 7, nr. 1, 11 mai 2017, p. 1766, DOI : 10.1038 / s41598-017-01854-6 . Adus la 1 iulie 2019 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]