Группа учёных под руководством Дэвида Норриса (David Norris) ETHв Цюрихе обнаружила, что добавка нескольких атомов серебра в наночастицу CdSe приводит к существенному увеличению интенсивности ее флуоресценции. 

При этом допирование сначала приводит к появлению n-типа проводимости, а с увеличением концентрации примеси меняется на p-тип. Такое явление наблюдается учеными впервые.

Легирование объемных полупроводников (кремния и др.) различными примесями является стандартным методом, применяющимся для изменения их электрических свойств, однако этот метод не применим для наноразмерных полупроводниковых частиц. За последние несколько лет ученые существенно продвинулись в этой области, достигнув значительных успехов, среди них выделяются результаты, полученные группой Норриса.

Во-первых, исследователям удалось продемонстрировать, что примесное серебро может влиять на электрические свойства полупроводниковых наночастиц селенида кадмия. Во-вторых, само по себе подтверждение возможности легирования CdSe (наиболее широко изученного материала квантовых точек) электрически активными примесями является значительным успехом в этой области. «Наши исследования показали, что добавка буквально нескольких примесных атомов существенно меняет свойства наночастиц и приводит к совершенно неожиданным результатам», - говорит Норрис, - «Например, добавка уже двух атомов серебра в наночастицу селенида кадмия увеличивает интенсивность флуоресценции почти в 10 раз».

Растворы снаночастицами CdSe под воздействием УФ (слева направо): недопированные, допированные 2.7 атомов серебра на 1 наночастицу, 13 атомов – на 1 наночастицу (Ист: Electronic Impurity Doping in CdSe Nanocrystals// Nano Lett., 2012, 12 (5), pp 2587–2594)

Ученые ЕТН совместно с учеными Университета Миннесоты (США), Университета Сунгсила (Корея) и Университета Дуйсбург-Эссена (Германия), работали над созданием технологии, обеспечивающей катион-обменный процесс в коллоиде с наночастицами при добавлении соли серебра. Катионы серебра способны очень быстро диффундировать в кристаллическую решетку селенида кадмия (в отличие от структур других полупроводящих материалов), поэтому получить растворы с легированными наночастицами, содержащие различные концентрации примеси, - достаточно несложная задача.

Акцепторный и донорный типы проводимости

Легирование изменяет концентрации носителей заряда (электронов и дырок), что приводит к изменению уровня Ферми и увеличению проводимости. В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Исследования, проведенные группой Норриса, показали, что примеси серебра в наночастицах показывают более сложное поведение: при низких концентрациях серебра (менее 6 атомов серебра на 1 наночастицу), они ведут себя как донорные примеси (n-тип проводимости), однако уже при более высоких концентрациях серебра - как акцепторные (р-тип проводимости).

Примесь серебра также увеличивает интенсивность флуоресценции (или фотолюминесценции) наночастиц. «Этот результат был для нас неожиданным, потому как до сих пор считалось, что электрически активные примесные добавки разрушают люминесценцию», - заявил Норрис в интервью nanotechweb.org. «Для объяснения этого явления требуются дальнейшие исследования, которые станут, несомненно, захватывающей задачей для ученых».

По мнению исследователей, наночастицы, допированные серебром, могут быть использованы в качестве материалов для полупроводниковых диодов. Широко распространенные кремниевые диоды получают нанесением слоя кремния, допированного акцепторными примесями, на слой, допированный донорными примесями, что обеспечивает возможность p-n переходов. «Наша работа является первым шагом на пути создания более функциональных диодов, подобных нанокристаллическим пленкам», - заявил Норрис, - «Материалы на основе наночастиц CdSe, допированных серебром, могут быть использованы для создания светодиодов, фотодиодов и солнечных элементов».

Для установления фундаментальных физических причин этого явления ученые планируют провести дополнительные исследования. «Понимание процессов концентрационного влияния примесных атомов на свойства наночастиц станет нашей первой задачей», - заявил Норрис.