Delftse meettechniek blijkt geschikt om belangrijke eigenschappen van quantum dots te onthullen

Wetenschappers hebben aangetoond dat de positronen die de Delftse onderzoeksreactor produceert bij uitstek geschikt zijn voor het bestuderen van de bouwstenen van nieuwe zonnecellen: quantum dots.

Quantum dots, halfgeleiderkristallen van enkele nanometers groot, zijn aantrekkelijke bouwstenen voor zonnecellen. Door hun kleine afmetingen vertonen ze precies de elektronische eigenschappen die nodig zijn om zonlicht om te zetten in elektriciteit.

Complicatie is echter het oppervlak van de quantum dots: de kleinste onregelmatigheden aan dit oppervlak kunnen de uiteindelijke efficiëntie van de zonnecel flink schaden. Daarom worden de nanokristallen vaak omhuld met beschermende moleculen. Maar hoe goed is de hechting tussen deze moleculen en het halfgeleiderkristal? En hoeveel onregelmatigheden zijn er nog over aan het kristaloppervlak?

Om die vragen te beantwoorden zocht Dr. Stephan Eijt (Afdeling Radiation Science & Technology) naar een analysetechniek die specifiek naar het oppervlak van quantum dots kan kijken. Eijt: “In Delft maken we gebruik van positron-annihilatietechnieken. Hierbij wordt een positief geladen antideeltje, een positron, op een materiaal geschoten. Als het daar een negatief geladen elektron tegenkomt, dan heffen deeltje en antideeltje elkaar op. Daar komt een zeer kleine hoeveelheid gammastraling bij vrij die door detectoren kan worden opgepikt. Met deze techniek kunnen we elektronenverdelingen en daarmee de elektronische structuur van flinterdunne materialen diepte-afhankelijk onderzoeken. Maar voor de quantum dots was nog niet duidelijk of de positron-annihilatietechniek gevoelig was voor het oppervlak of toch voor het binnenste van de nanokristallen.”

Om deze vraag te beantwoorden, maakten de wetenschappers gebruik van een soortgelijke techniek die binnenkort in Delft beschikbaar zal komen: positron-annihilatie levensduur spectroscopie (PALS). PALS-metingen in Duitsland door promovenda Wenqin Shi lieten zien dat het merendeel van de positronen precies zo annihileerden als voorspeld door theoretische berekeningen voor de buitenste schil van quantum dots.

“Hiermee is bewezen dat de positron-annihilatietechniek gevoelig is voor dat cruciale oppervlak van quantum dots,” aldus Eijt. De bevindingen werden in het tijdschrift Physical Review Letters gepubliceerd.

Eijt verwacht dat de positron-annihilatietechniek, dat Delft als enige Nederlandse centrum aanbiedt, populairder zal worden in de ontwikkeling van betere zonnecellen.

Als onderdeel van het OYSTER-project, waarbij de Delftse onderzoeksreactor en omringende apparatuur momenteel vernieuwd en verbeterd worden, zal de TU Delft ook beschikking krijgen over PALS-apparatuur. Eijt: “Dit is van groot belang voor de ontwikkeling van dit veelbelovende type zonnecellen.”