Moderne elektronica in bijvoorbeeld zonnepanelen, camerasensoren en medische beeldapparatuur bevat vaak halfgeleidermateriaal met een doorlopende kristalstructuur, een monokristal. Helaas zijn deze monokristallijne materialen erg duur. Kleine nanokristallen, zogenaamde kwantumdots, zijn veel gemakkelijker te maken en dus goedkoper. Ze hebben dan ook hun intrede gedaan in consumentenelektronica, bijvoorbeeld in kwantumdot-TV’s. Nadeel was dat hun kwaliteit lastig meetbaar was. Onderzoekers van Stanford University, de universiteit van Berkeley en de Technische Universiteit Eindhoven hebben een echter meetmethode ontwikkeld die beter voldoet. Ze hebben hiermee aangetoond dat de kwantumdots het bijzonder goed doen. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd Science.

Bijna-perfect

Met behulp van deze nieuwe techniek is het mogelijk om goedkope en bijna-perfecte halfgeleiders te maken, die net zo goed zijn als de veel duurdere alternatieven.

De onderzoekers hebben vooral gekeken naar de luminescentie-efficiëntie van kwantumdots: de mate waarin ze licht dat ze hebben opgenomen, weer uitstralen. Dit is een belangrijke indicatie voor de kwaliteit van halfgeleiders. Dat kwantumdots mogelijk erg hoog scoren op dit punt, was al duidelijk geworden bij eerder onderzoek. Maar dit is de eerste meetmethode die overtuigend aantoont dat ze kunnen wedijveren met een monokristal.

Voor- en nadelen

Kwantumdots zijn heel gemakkelijk te manipuleren. Als je hun omvang wijzigt, verandert ook de golflengte van het uitgestraalde licht. Dat is een nuttige eigenschap bij toepassingen die kleur gebruiken, zoals TV’s, computers en markers voor biologische monsters. Ook zijn ze vanwege hun kleine omvang relatief goedkoop te produceren.

Maar er zijn ook nadelen. Kwantumdots zijn zo klein dat er miljarden nodig zijn om het werk te doen van één volmaakt monokristal. En hoe meer kwantumdots je maakt, hoe groter de kans dat er iets misgaat, met alle gevolgen van dien voor de kwaliteit.

Bestaande meettechnieken wezen er al op dat halfgeleiders van kwantumdots mogelijk zeer efficiënt zijn, met een luminescentie-efficiëntie van meer dan 99 procent. Maar de onderzoekers hadden een nieuwe methode nodig om precies te meten hoe efficiënt deze nanokristallen precies zijn.

Bijna honderd procent

Daarvoor gebruikten ze een techniek die in plaats van de uitgestraalde lichtdeeltjes de restwarmte meet van aangeslagen kwantumdots. Restwarmte is namelijk een indicatie van niet-efficiënte uitstraling. Deze meetmethode, die gangbaar is bij andere materialen, bleek honderd keer zo precies als andere opties. De onderzoekers ontdekten dat groepjes kwantumdots gemiddeld 99,6 procent van het opgenomen licht weer uitstralen (met een foutmarge van ±0,2%), vergelijkbaar met de emissie van de beste monokristallen.

Anders dan gevreesd, blijken de kwantumdots verrassend robuust te zijn. Bovendien kunnen met de meetmethode voor het eerst de verschillende kwantumdotstructuren met elkaar worden vergeleken.

Bron: TU Eindhoven