En ny kvantpunktsmetod för att generera infrarött ljus öppnar dörren till mellaninfraröda lasrar och kostnadseffektiva sensorer.
Ett team av forskare ledda av Philippe Guyot Sionnest, professor i fysik och kemi vid University of Chicago, upptäckte nyligen ett sätt att generera infrarött ljus genom kolloidala kvantpunkter som öppnar dörren till möjligheten att omdefiniera det mellaninfraröda området (3 till 5 µm), eftersom prickarna de fick vid sitt första försök var nästan lika effektiva som befintliga konventionella metoder.
Kolloidala kvantprickar är halvledarnanokristaller/partiklar med en diameter på cirka 5 till 20 nm, vanligtvis gjorda av kadmiumselenid (CdSe), kadmiumsulfid (CdS), blysulfid (PbS), zinkoxid (ZnO) och indiumfosfid (InPnO) ), som har unika optiska och elektroniska egenskaper. Elektronvågor resonerar inuti dessa partiklar, som ljud- eller ljusvågor i en kavitet, och det skapar stabila tillstånd som kan spektralt justeras till storleken på nanokristallerna.
Kvantprickar som producerar synligt ljus har hittats i kommersiella produkter som lysdioder (LED) och tv-apparater. Men än så länge, om man vill ha kvantprickar som kan producera mellaninfrarött ljus, är det vanligtvis svårt att uppnå.
Även om organiska molekyler är gjorda av lätta atomer, som är idealiska för färgämnen och fluorescens i det synliga området, fungerar de inte lika bra i det mellaninfraröda området, där molekylerna vibrerar även i det mellaninfraröda området och snabbt undertrycker elektronisk excitation.
Oorganiska halvledarkvantprickmaterial är lösliga som färgämnesmolekyler och har avstämbara elektroniska excitationer i det mellaninfraröda bandet, men de är sammansatta av tunga atomer som vibrerar vid mycket lägre frekvenser, vilket gör dem till bra infraröda och lösningsbearbetbara material, säger Guyot. Sionnest. Det var det som gav oss idén att studera infraröda halvledarkvantpunkter - det började för 25 år sedan."
Infraröda lasrar tillverkas för närvarande genom en molekylär epitaxiprocess, som, även om den är effektiv, är arbetskrävande och dyr. Därför ville forskarna skapa ett bättre sätt att realisera infraröda lasrar baserat på kvantprickar.
Kvantmekanik och kaskadeffekten
Teamet bestämde sig för att utforska en "kaskad"-teknik som används ofta för att göra lasrar. För att göra detta gjorde de ett svart bläck gjord av biljoner små kärna/skal HgSe/CdSe nanokristaller, belade den med en ledande elektrod, förångade en andra ledande elektrod på toppen och satte ström på den.
Deras metod går ut på att köra en elektrisk ström genom enheten och skicka miljontals elektroner till enheten. Om det lyckas kommer elektronerna att passera genom en serie olika energinivåer, liknande som att falla ner för en serie vattenfall. Varje gång en elektron sjunker en energinivå får den en chans att avge energi i form av ljus. Det fungerar tack vare kvantmekaniken.
Guyot Sionnest förklarar, "I en kaskad-LED hanterar vi två tillstånd av kvantpunkten: det lägsta grundtillståndet, som är analogt med väteatomens s-tillstånd, och det första exciterade tillståndet, som är analogt med p-tillståndet. ." När en elektron slappnar av från p-tillståndet till s-tillståndet avger den mellaninfrarött ljus. Förspänningen mellan punkterna gör att elektronen kan tunnla från detta tillstånd till p-tillståndet vid nästa punkt, och så vidare."
Till lagets förvåning såg de ljus på sitt första försök att generera infrarött ljus genom kolloidala kvantprickar. Guyot Sionnest sa: "De första försöken med vår nya metod för att generera infrarött ljus var mycket effektiva, och när effektiviteten av att generera ljus inom quantum dots ökar, deras prestanda kommer att förbättras med flera storleksordningar. Dessa ljuskällor kommer då att kunna uppnå oöverträffad effektivitet och låg kostnad."
Guyot Sionnest förklarar, "Den föredragna tunnlingen från s-tillståndet för en kvantpunkt till p-tillståndet för nästa kvantpunkt är långt ifrån uppenbar, eftersom det också är möjligt att helt enkelt gå från s-tillståndet för en punkt till s-tillstånd för nästa. Vi trodde först att denna preferens skulle kräva resonans vid en finjusterad förspänning, men på något ännu okänt sätt är elektronerna ordnade i en kaskad snarare än att flyta nedåt, så förspänningen spelar ingen roll."
Det finns inga större utmaningar i detta arbete, eftersom det är en tillämpning av teamets tidigare arbete med att göra fluorescerande infraröda kvantprickar i labbet, och de har redan erfarenhet av att tillverka de första mellaninfraröda lysdioderna med kvantprickar, och mäta deras utgående ljus.
"Men det kräver en ovanlig kombination av färdigheter vid de kemiska och fysiska gränssnitten." Guyot Sionnest säger, "tack vare Xinygyu Shen och Ananth Kamath. väldigt få team har kunnat kombinera de kemiska färdigheterna för att göra kvantprickar, tillverkningsverktygen för att tillverka enheterna och den mellaninfraröda instrumenteringen för att karakterisera dem."
Optiska gassensorer och lasrar
Den mest uppenbara och sannolika tillämpningen av infrarött ljus som genereras genom kvantprickar är optiska gassensorer, säger Guyot Sionnest: "Masstillverkningen av snabba och effektiva kvantpunkts-LED, och likaledes snabba och effektiva kvantpunktsdetektorer, kommer att göra optisk gasavkänning mycket billigare än nuvarande halvledarteknik. Den kommer också att ge bättre känslighet än lågkostnadsteknologier baserade på värmekällor och termoelektriska detektorer."
Lasrar är en möjlig förlängning av detta arbete, men det är inte säkert att de kommer att förverkligas. Utöver det kan kommersiella tillämpningar kräva användning av kvantprickar som är fria från giftiga och reglerade element som kvicksilver, kadmium och bly.
Xingyu Shen, en doktorand vid Guyot Sionnest, sa: "En kostnadseffektiv och lättanvänd metod för att skapa infrarött ljus från kvantprickar kan vara mycket användbar."
