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釐清量子點薄膜的電荷捕捉機制

公告類型: 奈米新知
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 歐洲科學家日前首度透過實驗勘測出半導體量子點(Quantum Dot)薄膜能隙中的電荷捕捉態密度。此研究顯示電子被捕捉在材料價帶(valence band)附近,與理論值計算相符。研究結果可望有助於設計、製造出更優良的量子點元件,例如太陽電池、LED與熱電裝置。

電荷捕捉指的是電子與電洞被困在缺陷中,此現象會發生於任何膠體量子點系統,並影響膠體量子點裝置的效能,造成重大問題。電子與電洞一旦被缺陷所捕捉,即無法穿透該材質。換言之,電荷的遷移率因此打折,對裝置的電子特性帶來負面影響。

截至目前為止,研究人員都以鈍化量子點表面的方式(例如使用有機配位體)讓表面缺陷結構失去捕捉電荷的能力。但這些配位體很容易由表面剝落,幾乎不可能徹底鈍化量子點。此外,電荷捕捉的物理與化學過程很困難徹底釐清,而量測量子點能隙中的能帶密度的實驗又極為鮮少。

最近荷蘭台夫特科技大學、烏特勒支大學以及西班牙 Donostia 國際物理研究中心的研究人員 Arjan Houtepen 等人已成功量測出碲化鎘(CdTe)量子點薄膜能隙中所有陷阱態的密度。研究人員結合了兩種技術:先以電化學方式控制薄膜中的費米能階(Fermi level),以控制材料能隙中陷阱態的填充狀況,接著使用超快瞬態吸收與時間解析光致發光能譜術,量測薄膜中電子與電洞的生命週期。

Houtepen 表示,他們發現非常接近材料價帶的電子陷阱。而密度泛函理論(density functional theory)計算也證實了此發現。他們也發現唯一能解釋電子如何被這些陷阱所捕捉的只有歐傑介導過程(Auger-mediated process);該理論解釋了為何在碲化鎘量子點當中,電洞被捕捉的速率比電子慢一個數量級。

由於捕捉速率與陷阱數成正比,該團隊得以檢視價帶到傳導帶之間的費米能階,並勘測出整個能隙內的陷阱態密度。研究人員目前正在嘗試永久掺雜量子點薄膜,並利用分子還原與氧化劑試圖將米能階固定在量子點能隙中的不同能量上,以便控制陷阱的填充狀況、增加升量子點薄膜的功能。詳見近期出刊的Nano Letters | DOI:10.1021/acs.nanolett.5b00050


原始網站:https://nano.nchc.org.tw/index.php?apps=news&mod=welcome&action=show&gid=1032
譯者/譯者服務單位:洪士傑/奈米科學網特約譯者   責任編輯:蔡雅芝
發布日期: 2015/06/05
發布人員: 王芊樺