ETH 的研究人员对电流如何在由纳米晶体制成的半导体中传导提供了第一个理论解释。未来，这可能会导致开发用于电视屏幕的新传感器、激光器或 LED。

几年前，我们接触到了采用 QLED 技术的电视屏幕，可产生绚丽的色彩。这里的“Q”代表“量子点”。量子点是由几千个原子组成的只有几纳米大小的半导体材料晶体。这些纳米晶体非常小，以至于其中的电子只能具有某些明确定义的量子机械能级。因此，当量子点被电视的背光照亮时，这些级别之间的量子跳跃会发出特定颜色的光。

在下一代 QLED 电视中，希望使用电力让量子点自行发光，而不需要背光。然而，到目前为止，还缺乏对电流如何通过纳米晶体薄膜的理论理解。由 Vanessa Wood 领导的苏黎世联邦理工学院信息技术和电气工程系的一组研究人员现在已经弥合了这一差距，正如他们在科学杂志《自然通讯》上报道的那样。

弹簧床垫与桌面

电流如何在非纳米尺寸的半导体中移动的理论已经为人所知 90 多年，并且存在软件工具来模拟它们的行为。工业可以通过故意添加杂质原子(掺杂)来控制半导体的电子特性，这会改变自由载流子(电子)的数量。相比之下，由许多小的纳米晶体量子点组成的半导体不能用这些方法处理。

在纳米晶体中，添加杂质原子不一定会导致自由电荷载流子。此外，免费收费的行为方式不同。“普通半导体中的电荷载体像在光滑桌面上滚动的保龄球一样移动，而在纳米晶体材料中，它们就像软床垫上的保龄球一样，沉入其中并使其变形，”伍德解释了这个问题。

建模要求高

在纳米晶体半导体中，电流通过从纳米晶体跳跃到纳米晶体的电子传输。每次跳跃，电子的电荷都会使纳米晶体(左上)变形，形成极化子(右上)。信用：苏黎世联邦理工学院

对于理论建模，这意味着纳米晶体半导体晶格中的原子不能简单地视为静止点，而这通常是对普通半导体所做的。“相反，我们必须用数学方法描述材料的许多纳米晶体中数十万个原子中的每一个，以及每个原子如何与电荷载流子相互作用，”在 Wood 研究小组工作的博士 Nuri Yazdani 解释说。学生，是最近发表的研究的第一作者。

Yazdani 使用位于卢加诺的瑞士超级计算中心 CSCS 运行了一个复杂的代码，其中考虑了问题的所有细节——电子和原子的运动以及它们之间的相互作用。“特别是，我们想了解电荷载流子如何在单个纳米晶体之间移动，以及为什么它们会被‘困住’而无法继续下去，”亚兹达尼说。

这些计算机模拟的结果非常具有启发性。事实证明，由许多纳米晶体组成的材料如何传导电流的决定因素是晶体的最小变形，只有千分之几纳米，导致静电能量发生巨大变化。当电荷使其周围的材料变形时，这被称为极化子，Yazdani 的模拟表明，电流流过极化子，从一个纳米晶体跳跃到下一个。

一个模型说明一切

该模型解释了基于纳米晶体的半导体的电子特性如何通过改变纳米晶体的尺寸以及它们在薄膜中的堆积方式而发生变化。为了测试他们的模拟预测，该团队在实验室中生产了纳米晶体薄膜，并测量了不同施加电压和温度下的电响应。在这些实验中，他们使用短激光脉冲在材料的一端产生自由电子，然后观察它们何时到达另一端。结果：对于数百个不同的测试中的每一个，计算机模拟都完美地预测了电气特性。

“经过八年的紧张工作，我们现在已经创建了一个模型，它最终不仅可以定量解释我们的实验，还可以定量解释过去几年许多其他研究小组的实验，”伍德说。“这样的模型将使未来的研究人员和工程师能够在纳米晶体半导体生产之前计算其特性。” 这应该可以针对特定应用优化此类材料。“到目前为止，这必须通过反复试验来完成，”伍德补充道。

使用 ETH 研究人员的结果，未来可以从纳米晶体材料中开发出有用的半导体，用于传感器、激光器或 LED 的各种应用——也可用于电视屏幕。由于纳米晶体的组成、尺寸和排列可以在其生产过程中进行控制，因此与传统半导体相比，此类材料有望提供更广泛的电学特性。