Ilmuwan Laboratorium Penelitian Angkatan Laut AS telah mengidentifikasi kelas baru nanokristal semikonduktor dengan eksiton keadaan dasar yang terang, yang berpotensi merevolusi perangkat pemancar cahaya. Penelitian mereka, yang melibatkan pemodelan dan kolaborasi tingkat lanjut, telah menemukan materials yang memancarkan cahaya dalam spektrum yang luas, yang menjanjikan kemajuan dalam LED, sel surya, dan fotodetektor. Terobosan ini bertujuan untuk mengatasi masalah eksiton gelap dan merangsang penelitian lebih lanjut dalam nanostruktur eksiton terang.
Ilmuwan NRL telah menemukan nanokristal semikonduktor baru dengan eksiton keadaan dasar yang terang, berpotensi merevolusi perangkat pemancar cahaya dan menyelesaikan masalah eksiton gelap.
Para ilmuwan di Laboratorium Penelitian Angkatan Laut AS (NRL) telah mengonfirmasi identifikasi kelas baru nanokristal semikonduktor dengan eksiton keadaan dasar yang terang. Kemajuan signifikan dalam optoelektronik ini baru-baru ini dipublikasikan dalam jurnal American Chemical Society (ACS), ACS Nano.
Penelitian teoritis yang inovatif ini dapat merevolusi pengembangan perangkat pemancar cahaya yang sangat efisien dan teknologi lainnya.
Secara umum, eksiton berenergi terendah dalam nanokristal memancarkan cahaya dengan buruk, sehingga disebut eksiton “gelap”. Karena memperlambat emisi cahaya, eksiton gelap membatasi kinerja perangkat berbasis nanokristal seperti laser atau dioda pemancar cahaya (LED). Para ilmuwan telah lama berupaya mengatasi eksiton gelap.
“Kami berupaya menemukan materials baru yang urutan eksitonnya terbalik, sehingga eksiton berenergi terendah menjadi terang,” kata John Lyons, Ph.D., dari Bagian Teori Materials Fungsional Lanjutan. “Dengan menelusuri foundation information materials sumber terbuka menggunakan kriteria yang diinformasikan oleh pemodelan teoritis kami, kami mengidentifikasi lebih dari 150 goal. Kami selanjutnya mempersempit daftar ini dengan kalkulasi prinsip dasar tingkat lanjut, yang menghasilkan 28 kandidat untuk nanomaterial eksiton terang.”
Michael Swift (kiri), Ph.D., fisikawan riset Laboratorium Riset Angkatan Laut AS (NRL); John Lyons (tengah), Ph.D., ilmuwan fisika NRL; dan Alexander Efros, Ph.D., ilmuwan senior NRL, berkumpul untuk berfoto bersama di fasilitas Ilmu dan Teknologi Materials di Washington, DC, 25 Juli 2024. Tim menggunakan teori dan simulasi untuk memahami, meningkatkan, dan mengembangkan materials penting angkatan laut. Kredit: Foto Angkatan Laut AS oleh Sarah Peterson
Kandidat yang Menjanjikan untuk Nanomaterial Vivid-Exciton
Pemodelan yang lebih rinci dari bahan-bahan ini menunjukkan bahwa setidaknya empat bahan dapat menghasilkan eksiton keadaan dasar yang terang dalam nanokristal. “Penemuan ini, yang dibuat bekerja sama dengan Prof. David Norris dari Institut Teknologi Federal (ETH) Zurich dan Peter Sercel, Ph.D., dari Pusat Semikonduktor Organik-Anorganik Hibrida untuk Energi (CHOISE), dapat membuka jalan bagi pengembangan perangkat pemancar cahaya yang sangat terang dan sangat efisien, laser, dan teknologi lainnya,” kata Lyons.
Alexander Efros, Ph.D., seorang ilmuwan senior, divisi Ilmu Materials dan penulis senior pada makalah tersebut, menguraikan implikasi dari penelitian tersebut. “Dalam penelitian kami, kami telah mengidentifikasi beberapa materials eksiton terang yang dapat memancarkan cahaya pada spektrum yang luas, dari inframerah hingga ultraviolet,” kata Efros. “Keserbagunaan ini membuat materials tersebut sangat berguna untuk aplikasi optoelektronik. Kemampuan untuk merekayasa nanokristal dengan keadaan eksiton terang pada rentang yang luas ini membuka jalan baru untuk menciptakan LED, sel surya, dan fotodetektor yang lebih baik dan lebih efisien.”
Dengan memecahkan masalah eksiton gelap, para ilmuwan NRL berharap dapat merangsang komunitas nanomaterial besar untuk menyerang nanostruktur eksiton terang, space yang telah terhenti terlalu lama. Saat ini, tiga dari materials ini sedang ditumbuhkan di NRL sebagai bagian dari inisiatif Nanoscience Institute Program Vivid Nanocrystal Emitters yang bertujuan untuk mendemonstrasikan secara meyakinkan perilaku eksiton terang di laboratorium dan memanfaatkannya untuk teknologi angkatan laut di masa depan.
“Temuan kami menunjukkan kekuatan menggabungkan penyaringan komputasional throughput tinggi, teori pena dan kertas, danketepatan “Tidak ada satu teknik pun yang cukup, tetapi bersama-sama kami menemukan nanokristal extremely terang baru dan mengungkap kekuatan eksiton terang di berbagai kelas materials yang belum dieksplorasi.”
Bagian Teori Materials Fungsional Lanjutan melakukan penelitian dasar dan terapan pada sistem materials fungsional, struktural, biologis, dan elektronik. Bagian ini memelopori metode baru untuk simulasi materials dan sistem, termasuk pengembangan asli teknik komputasional dan teoritis, modifikasi pendekatan yang ada, dan penerapan metodologi yang mapan pada materials dan bidang baru. Tujuan dari Bagian ini adalah untuk menggunakan teori dan simulasi guna memahami, meningkatkan, dan mengembangkan materials yang penting bagi angkatan laut saat ini dan masa mendatang.
Referensi: “Identifikasi Nanokristal Semikonduktor dengan Eksiton Keadaan Dasar Cerah” oleh Michael W. Swift, Peter C. Sercel, Alexander L. Efros, John L. Lyons dan David J. Norris, 22 Juli 2024, ACS Nano.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1021/acsnano.4c02905
