Grunnleggende forskning forbedrer forståelsen av nye optiske materialer

Forskning på syntese av nye materialer kan føre til mer bærekraftige og miljøvennlige gjenstander som solcellepaneler og lysdioder (LED). Forskere fra Ames National Laboratory og Iowa State University har utviklet en kolloidal syntesemetode for alkaliske jordkalkogenider. Denne metoden lar dem kontrollere størrelsen på nanokrystallene i materialet. De var også i stand til å studere overflatekjemien til nanokrystallene og vurdere renheten og de optiske egenskapene til de involverte materialene. Forskningen deres er diskutert i papiret “Alkaline-Earth Chalcogenide Nanocrystals: Solution-Phase Synthesis, Surface Chemistry, and Stability,” publisert i ACS Nano.

Alkaliske jordkalkogenider er en type halvledere som er av økende interesse blant forskere. De har en rekke mulige bruksområder som bioimaging, lysdioder og termiske sensorer. Disse forbindelsene kan også brukes til å lage optiske materialer som perovskitter, som omdanner lys til energi.

I følge Javier Vela, Ames Lab-forsker og John D. Corbett-professor i kjemi ved Iowa State University, er en grunn til at disse nye materialene er av interesse fordi “de består av jordrike og biokompatible elementer, som gjør dem til gunstige alternativer sammenlignet med til de mer brukte giftige eller dyre halvledere.”

Vela forklarte at mer utbredte halvledere inneholder bly eller kadmium, begge elementer som er skadelige for menneskers helse og miljøet. I tillegg involverer den mest populære teknikken forskerne bruker for å syntetisere disse materialene faststoffreaksjoner. “Disse reaksjonene oppstår ofte ved ekstremt høye temperaturer (over 900 ° C eller 1652 ° F) og krever reaksjonstider som kan vare alt fra dager til uker,” sa han.

På den annen side forklarte Vela at “løsningsfase (kolloidal) kjemi kan utføres ved å bruke mye lavere (under 300 ° C eller 572 ° F) temperaturer og kortere reaksjonstider.” Så den kolloidale metoden Velas team brukte krever mindre energi og tid for å syntetisere materialene.

Velas team fant ut at den kolloidale syntesemetoden tillot dem å kontrollere størrelsen på nanokrystallene. Nanokrystallstørrelse er viktig fordi den bestemmer de optiske egenskapene til noen materialer. Vela forklarte at ved å endre størrelsen på partiklene, kan forskere påvirke hvor godt materialene absorberer lys. “Dette betyr at vi potensielt kan syntetisere materialer som er mer egnet for spesifikke bruksområder bare ved å endre nanokrystallstørrelsen,” sa han.

I følge Vela var lagets opprinnelige mål å syntetisere halvledende jordalkalikalkogenid-perovskitter, på grunn av deres potensielle bruk i solenergiapparater. For å oppnå dette målet trengte de imidlertid en dypere forståelse av den grunnleggende kjemien til alkaliske jordkalkogenider. De valgte å fokusere på disse binære materialene i stedet.

Vela sa at forskningen deres fyller et behov for å forbedre forskernes forståelse av fotovoltaiske, selvlysende og termoelektriske materialer som er laget av jordrike og ikke-giftige elementer. Han sa: “Vi håper at utviklingen vår med dette prosjektet til slutt hjelper til med syntesen av mer komplekse nanomaterialer, for eksempel jordalkalisk kalkogenid perovskitter.”

Studieforfattere inkluderte Alison N. Roth, Yunhua Chen, Marquix AS Adamson, Eunbyeol Gi, Molly Wagner, Aaron J. Rossini og Javier Vela.

---

---