Az infravörös fény előállítására szolgáló új kvantumpont módszer megnyitja a kaput a közép-infravörös lézerek és a költséghatékony érzékelők előtt.
Philippe Guyot Sionnest, a Chicagói Egyetem fizika és kémia professzora által vezetett kutatócsoport a közelmúltban felfedezte azt a módot, hogy kolloid kvantumpontokon keresztül infravörös fényt generáljon, amely megnyitja az ajtót a középső infravörös tartomány újradefiniálása előtt. 5 µm-ig), mivel az első próbálkozásukra kapott pontok majdnem olyan hatékonyak voltak, mint a meglévő hagyományos módszerek.
A kolloid kvantumpontok körülbelül 5-20 nm átmérőjű félvezető nanokristályok/részecskék, amelyek általában kadmium-szelenidből (CdSe), kadmium-szulfidból (CdS), ólom-szulfidból (PbS), cink-oxidból (ZnO) és indium-foszfidból (InP) készülnek. ), amelyek egyedi optikai és elektronikus tulajdonságokkal rendelkeznek. Az elektronhullámok ezekben a részecskékben rezonálnak, mint a hang- vagy fényhullámok egy üregben, és állandósult állapotokat hoznak létre, amelyek spektrálisan a nanokristályok méretére hangolhatók.
Látható fényt kibocsátó kvantumpontokat kereskedelmi termékekben, például fénykibocsátó diódákban (LED) és televíziókban találtak. De eddig, ha valaki olyan kvantumpontokat akar, amelyek képesek közép-infravörös fényt produkálni, azt általában nehéz elérni.
Míg a szerves molekulák könnyű atomokból állnak, amelyek ideálisak a festékekhez és a látható tartományban a fluoreszcenciához, addig nem teljesítenek olyan jól a középső infravörös tartományban, ahol a molekulák a középső infravörös tartományban is vibrálnak, és gyorsan elnyomják az elektronikus sugárzást. gerjesztés.
A szervetlen félvezető kvantumpont anyagok oldódnak, mint a festékmolekulák, és hangolható elektronikus gerjesztésük van a középső infravörös sávban, de nehéz atomokból állnak, amelyek sokkal alacsonyabb frekvencián rezegnek, ami jó infravörös és oldatban feldolgozható anyagokat tesz lehetővé" - mondja Guyot. Sionnest. Ez adta az ötletet, hogy tanulmányozzuk az infravörös félvezető kvantumpontokat – ez 25 évvel ezelőtt kezdődött."
Az infravörös lézereket jelenleg molekuláris epitaxiás eljárással állítják elő, amely bár hatékony, munkaigényes és költséges. Ezért a kutatók egy jobb módszert akartak létrehozni a kvantumpontokon alapuló infravörös lézerek megvalósítására.
A kvantummechanika és a kaszkádhatás
A csapat úgy döntött, hogy felfedez egy „kaszkád” technikát, amelyet széles körben használnak lézerek gyártásához. Ehhez készítettek egy fekete tintát ezermilliárd apró mag/héj HgSe/CdSe nanokristályból, bevonták egy vezető elektródával, elpárologtatták a tetején egy második vezető elektródát, és energiával látták el.
Módszerük abból áll, hogy elektromos áramot vezetnek át az eszközön, és több millió elektront küldenek a készülékbe. Ha sikeres, az elektronok különböző energiaszintek sorozatán haladnak át, hasonlóan ahhoz, mintha egy sor vízesésből esnének le. Minden alkalommal, amikor egy elektron leesik egy energiaszinten, lehetőséget kap arra, hogy energiát bocsát ki fény formájában. A kvantummechanikának köszönhetően működik.
Guyot Sionnest elmagyarázza: "A kaszkád LED-ben a kvantumpont két állapotával foglalkozunk: a legalacsonyabb alapállapottal, amely analóg a hidrogénatom s állapotával, és az első gerjesztett állapottal, amely a p állapottal analóg. ." Amikor egy elektron ellazul a p-állapotból az s-állapotba, középső infravörös fényt bocsát ki. A pontok közötti torzítás lehetővé teszi az elektron számára, hogy ebből az s állapotból a következő pontban lévő p állapotba alagútba lépjen, és így tovább."
A csapat meglepetésére fényt láttak az első kísérletükre, amellyel infravörös fényt generáltak kolloid kvantumpontokon keresztül. Guyot Sionnest elmondta: "Az infravörös fény előállítására szolgáló új módszerünkkel kapcsolatos első próbálkozások nagyon hatékonyak voltak, és egykor a fénytermelés hatékonysága is A kvantumpontok számát növeljük, teljesítményük több nagyságrenddel is javulni fog. Ezek a fényforrások így soha nem látott hatékonyságot és alacsony költséget tudnak elérni."
Guyot Sionnest kifejti: "Az egyik kvantumpont s-állapotából a következő kvantumpont p-állapotába történő előnyben részesített alagút közel sem nyilvánvaló, mivel az is lehetséges, hogy egy pont s-állapotából egyszerűen átlépjünk A következő s-állapota. Kezdetben úgy gondoltuk, hogy ez a preferencia rezonanciát igényel egy finoman hangolt torzítás mellett, de valamilyen eddig ismeretlen módon az elektronok kaszkádba rendeződnek, nem pedig lefelé áramlanak, így az előfeszítés nem számít."
Ebben a munkában nincsenek nagy kihívások, hiszen a csapat korábbi, fluoreszcens infravörös kvantumpontok laborban végzett gyártási munkáinak alkalmazásáról van szó, és már van tapasztalatuk az első kvantumpontos közép-infravörös LED-ek elkészítésében, illetve azok mérésében. kimeneti fény.
"De ehhez a kémiai és fizikai határfelületeken a készségek szokatlan kombinációja szükséges." Guyot Sionnest azt mondja, "hála Xinygyu Shennek és Ananth Kamathnak. Nagyon kevés csapat tudta kombinálni a kémiai ismereteket a kvantumpontok készítéséhez, a gyártási eszközöket az eszközök elkészítéséhez és a középső infravörös műszereket, amelyek jellemzik őket."
Optikai gázérzékelők és lézerek
Guyot Sionnest szerint a kvantumpontokon generált infravörös fény legkézenfekvőbb és legvalószínűbb alkalmazása az optikai gázérzékelők, mondja Guyot Sionnest: "A gyors és hatékony kvantumpont-LED-ek, valamint a hasonlóan gyors és hatékony kvantumpontdetektorok tömeggyártása sokkal olcsóbbá teszi az optikai gázérzékelést. mint a jelenlegi félvezető technológia. Jobb érzékenységet biztosít, mint a hőforrásokon és termoelektromos detektorokon alapuló olcsó technológiák."
A lézerek egy lehetséges kiterjesztése ennek a munkának, de nem biztos, hogy megvalósulnak. Ezen túlmenően a kereskedelmi alkalmazások megkövetelhetik olyan kvantumpontok használatát, amelyek mentesek a mérgező és szabályozott elemektől, mint például a higany, kadmium és ólom.
Xingyu Shen, a Guyot Sionnest végzős hallgatója azt mondta: "Nagyon hasznos lehet egy költséghatékony és könnyen használható módszer az infravörös fény kvantumpontokból történő létrehozására."
