Nowatorska metoda generowania światła podczerwonego za pomocą kropek kwantowych otwiera drzwi do laserów średniej podczerwieni i opłacalnych czujników.
Zespół naukowców pod kierownictwem Philippe’a Guyota Sionnesta, profesora fizyki i chemii na Uniwersytecie w Chicago, odkrył niedawno sposób generowania światła podczerwonego za pomocą koloidalnych kropek kwantowych, co otwiera drzwi do możliwości ponownego zdefiniowania zakresu średniej podczerwieni (3 do 5 µm), gdyż kropki, które uzyskali już przy pierwszej próbie, były niemal tak samo skuteczne, jak istniejące konwencjonalne metody.
Koloidalne kropki kwantowe to półprzewodnikowe nanokryształy/cząstki o średnicy około 5 do 20 nm, zwykle wykonane z selenku kadmu (CdSe), siarczku kadmu (CdS), siarczku ołowiu (PbS), tlenku cynku (ZnO) i fosforku indu (InP ), które mają unikalne właściwości optyczne i elektroniczne. Fale elektronowe rezonują wewnątrz tych cząstek, podobnie jak fale dźwiękowe lub świetlne we wnęce, i tworzą stany ustalone, które można widmowo dostroić do wielkości nanokryształów.
Kropki kwantowe wytwarzające światło widzialne znaleziono w produktach komercyjnych, takich jak diody elektroluminescencyjne (LED) i telewizory. Ale jak dotąd, jeśli ktoś chce kropek kwantowych, które mogą wytwarzać światło w średniej podczerwieni, zwykle jest to trudne do osiągnięcia.
Podczas gdy cząsteczki organiczne składają się z lekkich atomów, które idealnie nadają się do barwników i fluorescencji w zakresie widzialnym, nie radzą sobie tak dobrze w zakresie średniej podczerwieni, gdzie cząsteczki wibrują również w obszarze średniej podczerwieni i szybko tłumią elektrony. pobudzenie.
Nieorganiczne półprzewodnikowe materiały z kropek kwantowych są rozpuszczalne jak cząsteczki barwnika i mają przestrajalne wzbudzenia elektroniczne w paśmie średniej podczerwieni, ale składają się z ciężkich atomów, które wibrują ze znacznie niższymi częstotliwościami, co czyni je dobrymi materiałami do obróbki w podczerwieni i roztworze” – mówi Guyot Sionnest. To właśnie podsunęło nam pomysł badania półprzewodnikowych kropek kwantowych w podczerwieni – zaczęło się to 25 lat temu.”
Lasery na podczerwień są obecnie wytwarzane w procesie epitaksji molekularnej, który choć skuteczny, jest pracochłonny i kosztowny. Dlatego badacze chcieli stworzyć lepszy sposób realizacji laserów podczerwonych opartych na kropkach kwantowych.
Mechanika kwantowa i efekt kaskady
Zespół postanowił zbadać technikę „kaskadową”, powszechnie stosowaną w produkcji laserów. Aby to zrobić, stworzyli czarny atrament wykonany z bilionów maleńkich nanokryształów HgSe/CdSe w postaci rdzenia/powłoki, pokryli go elektrodą przewodzącą, odparowali drugą elektrodę przewodzącą na wierzchu i poddali ją napięciu.
Ich metoda polega na przepuszczaniu prądu elektrycznego przez urządzenie, wysyłając do niego miliony elektronów. Jeśli się powiedzie, elektrony przejdą przez szereg różnych poziomów energii, podobnie jak spadanie przez serię wodospadów. Za każdym razem, gdy elektron obniża poziom energii, ma szansę wyemitować energię w postaci światła. Działa dzięki mechanice kwantowej.
Guyot Sionnest wyjaśnia: „W kaskadowej diodzie LED mamy do czynienia z dwoma stanami kropki kwantowej: najniższym stanem podstawowym, który jest analogiczny do stanu s atomu wodoru, oraz pierwszym stanem wzbudzonym, który jest analogiczny do stanu p .” Kiedy elektron przechodzi ze stanu p do stanu s, emituje światło średniej podczerwieni. Odchylenie między punktami umożliwia elektronowi tunelowanie z tego stanu do stanu p w następnym punkcie i tak dalej.
Ku zaskoczeniu zespołu, podczas pierwszej próby wygenerowania światła podczerwonego przez koloidalne kropki kwantowe dostrzegli światło. Guyot Sionnest powiedział: „Pierwsze próby naszej nowej metody generowania światła podczerwonego były bardzo skuteczne, a gdy wydajność generowania światła w kropek kwantowych, ich wydajność poprawi się o kilka rzędów wielkości. Te źródła światła będą wówczas w stanie osiągnąć niespotykaną dotąd wydajność i niski koszt.
Guyot Sionnest wyjaśnia: „Preferowane tunelowanie ze stanu s jednej kropki kwantowej do stanu p następnej kropki kwantowej nie jest oczywiste, ponieważ możliwe jest również po prostu przejście ze stanu s jednej kropki do stanu s stan s następnego. Początkowo myśleliśmy, że ta preferencja będzie wymagała rezonansu przy precyzyjnie dostrojonym odchyleniu, ale w jakiś jeszcze nieznany sposób elektrony są ułożone w kaskadzie, a nie płyną w dół, więc odchylenie nie ma znaczenia.
Praca ta nie wiąże się z większymi wyzwaniami, gdyż stanowi wykorzystanie wcześniejszych prac zespołu nad wytwarzaniem fluorescencyjnych kropek kwantowych w podczerwieni w laboratorium, a zespół ma już doświadczenie w wytwarzaniu pierwszych diod LED średniej podczerwieni z kropkami kwantowymi i pomiarze ich światło wyjściowe.
„Ale wymaga to niezwykłej kombinacji umiejętności na styku chemicznym i fizycznym”. Guyot Sionnest mówi: „dzięki Xinygyu Shenowi i Ananth Kamath. bardzo niewielu zespołom udało się połączyć umiejętności chemiczne do wytworzenia kropek kwantowych, narzędzia produkcyjne do wykonania urządzeń oraz instrumentację średniej podczerwieni do ich scharakteryzowania”.
Optyczne czujniki gazów i lasery
Najbardziej oczywistym i prawdopodobnym zastosowaniem światła podczerwonego generowanego przez kropki kwantowe są optyczne czujniki gazu, mówi Guyot Sionnest: „Masowa produkcja szybkich i wydajnych diod LED z kropkami kwantowymi oraz podobnie szybkich i wydajnych detektorów kropek kwantowych sprawi, że optyczne wykrywanie gazów będzie znacznie tańsze niż obecna technologia półprzewodnikowa. Zapewni także lepszą czułość niż tanie technologie oparte na źródłach ciepła i detektorach termoelektrycznych.
Ewentualnym przedłużeniem tych prac są lasery, ale nie jest pewne, czy zostaną zrealizowane. Poza tym zastosowania komercyjne mogą wymagać użycia kropek kwantowych wolnych od toksycznych i regulowanych pierwiastków, takich jak rtęć, kadm i ołów.
Xingyu Shen, absolwent Guyot Sionnest, powiedział: „Opłacalna i łatwa w użyciu metoda tworzenia światła podczerwonego z kropek kwantowych może być bardzo użyteczna”.
