En ny kvantepunktmetode for å generere infrarødt lys åpner døren til mellominfrarøde lasere og kostnadseffektive sensorer.
Et team av forskere ledet av Philippe Guyot Sionnest, professor i fysikk og kjemi ved University of Chicago, oppdaget nylig en måte å generere infrarødt lys gjennom kolloidale kvanteprikker som åpner døren til muligheten for å redefinere det mellominfrarøde området (3 til 5 µm), da prikkene de oppnådde ved sitt første forsøk var nesten like effektive som eksisterende konvensjonelle metoder.
Kolloidale kvanteprikker er halvledernanokrystaller/partikler med en diameter på ca. 5 til 20 nm, vanligvis laget av kadmiumselenid (CdSe), kadmiumsulfid (CdS), blysulfid (PbS), sinkoksid (ZnO) og indiumfosfid (InPnO). ), som har unike optiske og elektroniske egenskaper. Elektronbølger resonerer inne i disse partiklene, som lyd- eller lysbølger i et hulrom, og det skaper stabile tilstander som kan justeres spektralt til størrelsen på nanokrystallene.
Kvanteprikker som produserer synlig lys er funnet i kommersielle produkter som lysemitterende dioder (LED) og fjernsyn. Men foreløpig, hvis man ønsker kvanteprikker som kan produsere mellominfrarødt lys, er det vanligvis vanskelig å oppnå.
Mens organiske molekyler er laget av lette atomer, som er ideelle for fargestoffer og fluorescens i det synlige området, presterer de ikke like godt i det midt-infrarøde området, der molekylene vibrerer også i det midt-infrarøde området og raskt undertrykker elektronisk eksitasjon.
Uorganiske halvlederkvantepunktmaterialer er løselige som fargestoffmolekyler og har avstembare elektroniske eksitasjoner i det midt-infrarøde båndet, men de er sammensatt av tunge atomer som vibrerer med mye lavere frekvenser, noe som gjør dem til gode infrarøde og løsningsbearbeidbare materialer," sier Guyot. Sionnest. Det var det som ga oss ideen om å studere infrarøde halvlederkvanteprikker - det startet for 25 år siden."
Infrarøde lasere produseres for tiden ved en molekylær epitaksiprosess, som, selv om den er effektiv, er arbeidskrevende og kostbar. Derfor ønsket forskerne å skape en bedre måte å realisere infrarøde lasere basert på kvanteprikker.
Kvantemekanikk og kaskadeeffekten
Teamet bestemte seg for å utforske en "kaskade"-teknikk som er mye brukt til å lage lasere. For å gjøre dette laget de et svart blekk laget av trillioner av bittesmå kjerne/skall HgSe/CdSe nanokrystaller, belagt det med en ledende elektrode, fordampet en andre ledende elektrode på toppen og ga den energi.
Metoden deres innebærer å kjøre en elektrisk strøm gjennom enheten, og sende millioner av elektroner til enheten. Hvis det lykkes, vil elektronene passere gjennom en rekke forskjellige energinivåer, som ligner på å falle ned en serie fosser. Hver gang et elektron faller et energinivå, får det en sjanse til å sende ut energi i form av lys. Det fungerer takket være kvantemekanikk.
Guyot Sionnest forklarer, "I en kaskade-LED har vi å gjøre med to tilstander av kvanteprikken: den laveste grunntilstanden, som er analog med s-tilstanden til hydrogenatomet, og den første eksiterte tilstanden, som er analog med p-tilstanden. ." Når et elektron slapper av fra p-tilstand til s-tilstand, sender det ut midt-infrarødt lys. Forspenningen mellom punktene gjør at elektronet kan tunnelere fra denne tilstanden til p-tilstanden ved neste punkt, og så videre."
Til teamets overraskelse så de lys på deres første forsøk på å generere infrarødt lys gjennom kolloidale kvanteprikker. Guyot Sionnest sa: "De første forsøkene på vår nye metode for å generere infrarødt lys var veldig effektive, og når effektiviteten til å generere lys i kvanteprikker økes, vil ytelsen deres forbedres med flere størrelsesordener. Disse lyskildene vil da kunne oppnå enestående effektivitet og lave kostnader."
Guyot Sionnest forklarer, "Den foretrukne tunneleringen fra s-tilstanden til en kvanteprikk til p-tilstanden til den neste kvanteprikken er langt fra åpenbar, siden det også er mulig å ganske enkelt gå fra s-tilstanden til en prikk til s-tilstanden til den neste. Vi trodde først at denne preferansen ville kreve resonans ved en finjustert forspenning, men på en ennå ukjent måte er elektronene ordnet i en kaskade i stedet for å strømme nedover, så forspenningen spiller ingen rolle."
Det er ingen store utfordringer knyttet til dette arbeidet, da det er en anvendelse av teamets tidligere arbeid med å lage fluorescerende infrarøde kvanteprikker i laboratoriet, og de har allerede erfaring med å lage de første mid-infrarøde LEDene med kvanteprikker, og måle deres utgangslys.
"Men det krever en uvanlig kombinasjon av ferdigheter ved de kjemiske og fysiske grensesnittene." Guyot Sionnest sier, "takket være Xinygyu Shen og Ananth Kamath. svært få team har vært i stand til å kombinere de kjemiske ferdighetene for å lage kvanteprikker, fabrikasjonsverktøyene for å lage enhetene og den midt-infrarøde instrumenteringen for å karakterisere dem."
Optiske gasssensorer og lasere
Den mest åpenbare og mest sannsynlige anvendelsen av infrarødt lys generert gjennom kvanteprikker er optiske gasssensorer, sier Guyot Sionnest: "Masseproduksjonen av raske og effektive kvantepunkt-LED-er, og tilsvarende raske og effektive kvantepunktdetektorer, vil gjøre optisk gasssensoring mye billigere enn dagens halvlederteknologi. Det vil også gi bedre følsomhet enn lavkostteknologier basert på varmekilder og termoelektriske detektorer."
Lasere er en mulig forlengelse av dette arbeidet, men det er ikke sikkert at de blir realisert. Utover det kan kommersielle applikasjoner kreve bruk av kvanteprikker som er fri for giftige og regulerte elementer som kvikksølv, kadmium og bly.
Xingyu Shen, en doktorgradsstudent ved Guyot Sionnest, sa: "En kostnadseffektiv og brukervennlig metode for å lage infrarødt lys fra kvanteprikker kan være veldig nyttig."
