Interactie op de nanometer: het in beeld brengen van een koppeling tussen individuele nanokristallen
Onderzoekers van FOM en de Universiteit van Amsterdam hebben, in samenwerking met Japanse teamgenoten, de relatie onderzocht tussen de bandkloofenergie van individuele cesium-lood-bromide (CsPbBr3) nanokristallen en hun grootte en vorm. Door de bandkloofenergie van alleenstaande nanokristallen te vergelijken met deze van nanokristallen van dezelfde grootte die omringd zijn door 'buren', hebben zij de interactie tussen aangrenzende nanokristallen voor het eerst in beeld gebracht op een nanometer schaal.
Nanokristallen en perovskieten
Nanokristallen zijn extreem klein, zo'n duizend maal kleiner dan de dikte van een menselijke haar. Door hun minuscule formaat wijkt de energiestructuur van de kristallen enorm af van die in bulkmateriaal. De bandkloofenergie is daarom direct afhankelijk van de kristalgrootte.
De term 'perovskieten' wordt gebruikt om een groep mineralen aan te duiden waarvan de kristalstructuur beschreven wordt met de formule ABX3. Zij hebben hun naam te danken aan de Russische mineraloog Lev Perovski. Omdat de perovskieten geïntegreerd kunnen worden in zonnecellen, hebben ze de afgelopen jaren veel aandacht gekregen. Daarnaast worden alle voordelen van nanokristallen en perovskieten gecombineerd in CsPbBr3-nanokristallen, die daarom een interessant alternatief bieden voor verschillende opto-elektronische toepassingen.
Het experiment
De techniek die de onderzoekers gebruiken heet 'low-loss electron energy loss spectroscopy' (EELS), waarbij gebruik wordt gemaakt van laagenergetische excitaties afkomstig van valentie-elektronen. Daarom wordt deze techniek als analoog aan absorptiespectroscopie beschouwd. Tegelijkertijd worden de nanokristallen in beeld gebracht met elektronenmicroscopie waarbij een extreem hoge resolutie gehandhaafd wordt. Op deze manier wordt de bandkloofenergie van individuele nanokristallen, zowel alleenstaand als omringd door buren, direct gekoppeld aan hun grootte en vorm.
De interactie tussen nanokristallen
De onderzoekers hebben deze relatie tussen nanokristalgrootte en bandkloofenergie vastgesteld voor veel verschillende nanokristallen. Daarbij blijkt dat een klein alleenstaand nanokristal een grotere bandkloofenergie heeft, vergeleken met een nanokristal van dezelfde grootte die is omringd door buren. En andersom heeft een groot nanokristal een lagere bandkloofenergie wanneer deze geïsoleerd is. Daaruit kan geconcludeerd worden dat er tussen twee aangrenzende nanokristallen een koppeling ontstaat, waarbij ze elkaars bandkloofenergie en daarmee energiestructuur beïnvloeden. Dit unieke inzicht in de koppeling en interactie tussen aangrenzende nanokristallen brengt nieuwe mogelijkheden aan het licht met betrekking tot het ontwerpen van grotere structuren en materialen, waarbij nanokristallen met doelgerichte eigenschappen als bouwblokken kunnen dienen.
Contactinformatie
Chris de Weerd
Leyre Gomez
Referentie
Direct Observation of Bandstructure Modifications in Nanocrystals of CsPbBr3 Perovskite. Nano Lett. 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03552