Nova metoda kvantnih pik za ustvarjanje infrardeče svetlobe odpira vrata laserjem srednjega infrardečega spektra in stroškovno učinkovitim senzorjem.
Skupina raziskovalcev, ki jo vodi Philippe Guyot Sionnest, profesor fizike in kemije na Univerzi v Chicagu, je nedavno odkrila način za ustvarjanje infrardeče svetlobe prek koloidnih kvantnih pik, kar odpira vrata možnosti redefiniranja srednjega infrardečega območja (3 do 5 µm), saj so bile pike, ki so jih pridobili v prvem poskusu, skoraj tako učinkovite kot obstoječe običajne metode.
Koloidne kvantne pike so polprevodniški nanokristali/delci s premerom od približno 5 do 20 nm, običajno izdelani iz kadmijevega selenida (CdSe), kadmijevega sulfida (CdS), svinčevega sulfida (PbS), cinkovega oksida (ZnO) in indijevega fosfida (InP). ), ki imajo edinstvene optične in elektronske lastnosti. Elektronski valovi resonirajo znotraj teh delcev, kot zvočni ali svetlobni valovi v votlini, in ustvarjajo stabilna stanja, ki jih je mogoče spektralno prilagoditi velikosti nanokristalov.
Kvantne pike, ki proizvajajo vidno svetlobo, so bile najdene v komercialnih izdelkih, kot so svetleče diode (LED) in televizorji. Toda zaenkrat, če želimo kvantne pike, ki lahko proizvajajo srednje infrardečo svetlobo, je to običajno težko doseči.
Medtem ko so organske molekule narejene iz lahkih atomov, ki so idealni za barvila in fluorescenco v vidnem območju, se ne obnesejo tako dobro v srednjem infrardečem območju, kjer molekule vibrirajo tudi v srednjem infrardečem območju in hitro zatrejo elektronsko vzbujanje.
Anorganski polprevodniški materiali s kvantnimi pikami so topni kot molekule barvil in imajo nastavljivo elektronsko vzbujanje v srednjem infrardečem pasu, vendar so sestavljeni iz težkih atomov, ki vibrirajo pri veliko nižjih frekvencah, zaradi česar so dobri infrardeči materiali in materiali, ki jih je mogoče obdelati z raztopino," pravi Guyot Sionnest. To je tisto, kar nam je dalo idejo za preučevanje infrardečih polprevodniških kvantnih pik – začelo se je pred 25 leti.«
Infrardeči laserji se trenutno izdelujejo s postopkom molekularne epitaksije, ki je, čeprav učinkovit, delovno intenziven in drag. Zato so raziskovalci želeli ustvariti boljši način za realizacijo infrardečih laserjev, ki temeljijo na kvantnih pikah.
Kvantna mehanika in kaskadni učinek
Ekipa se je odločila raziskati "kaskadno" tehniko, ki se pogosto uporablja za izdelavo laserjev. Da bi to naredili, so izdelali črno črnilo iz trilijonov drobnih nanokristalov HgSe/CdSe iz jedra/lupine, ga premazali s prevodno elektrodo, izhlapeli drugo prevodno elektrodo na vrhu in jo napajali.
Njihova metoda vključuje poganjanje električnega toka skozi napravo, ki v napravo pošlje milijone elektronov. Če bo uspešen, bodo elektroni šli skozi niz različnih energijskih nivojev, podobno kot bi padali po nizu slapov. Vsakič, ko elektron pade na raven energije, dobi priložnost oddajati energijo v obliki svetlobe. Deluje zahvaljujoč kvantni mehaniki.
Guyot Sionnest pojasnjuje: "V kaskadni LED imamo opravka z dvema stanjema kvantne pike: najnižjim osnovnim stanjem, ki je analogno stanju s atoma vodika, in prvim vzbujenim stanjem, ki je analogno stanju p ." Ko se elektron sprosti iz p-stanja v s-stanje, oddaja srednjo infrardečo svetlobo. Pristranskost med točkama omogoča elektronu prehod iz tega stanja s v stanje p na naslednji točki in tako naprej."
Na presenečenje ekipe so opazili svoj prvi poskus generiranja infrardeče svetlobe s pomočjo koloidnih kvantnih pik. Guyot Sionnest je dejal: "Prvi poskusi naše nove metode generiranja infrardeče svetlobe so bili zelo učinkoviti in ko je bila učinkovitost generiranja svetlobe znotraj povečano število kvantnih pik, se bo njihova učinkovitost izboljšala za več velikosti. Ti svetlobni viri bodo potem lahko dosegli učinkovitost brez primere in nizke stroške."
Guyot Sionnest pojasnjuje: "Prednostno tuneliranje iz s-stanja ene kvantne pike v p-stanje naslednje kvantne pike še zdaleč ni očitno, saj je prav tako mogoče preprosto preiti iz s-stanja ene pike v s-stanje naslednjega. Sprva smo mislili, da bo ta preferenca zahtevala resonanco pri natančno nastavljeni prednapetosti, toda na neki še neznan način so elektroni razporejeni v kaskado, namesto da tečejo navzdol, tako da pristranskost ni pomembna."
Pri tem delu ni večjih izzivov, saj gre za aplikacijo prejšnjega dela ekipe pri izdelavi fluorescentnih infrardečih kvantnih pik v laboratoriju, in že imajo izkušnje z izdelavo prvih srednje infrardečih LED s kvantnimi pikami in merjenjem njihove izhodna svetloba.
"Toda zahteva nenavadno kombinacijo veščin na kemičnih in fizičnih vmesnikih." Guyot Sionnest pravi: "Zahvaljujoč Xinygyu Shenu in Ananthu Kamathu je zelo malo ekip uspelo združiti kemijske spretnosti za izdelavo kvantnih pik, orodja za izdelavo naprav in instrumentacijo srednjega infrardečega spektra za njihovo karakterizacijo."
Optični plinski senzorji in laserji
Najbolj očitna in verjetna uporaba infrardeče svetlobe, ustvarjene s kvantnimi pikami, so optični senzorji plina, pravi Guyot Sionnest: "Množična proizvodnja hitrih in učinkovitih LED s kvantnimi pikami ter podobno hitrih in učinkovitih detektorjev s kvantnimi pikami bo optično zaznavanje plina veliko pocenila. kot sedanja polprevodniška tehnologija. Zagotovil bo tudi boljšo občutljivost kot poceni tehnologije, ki temeljijo na toplotnih virih in termoelektričnih detektorjih."
Laserji so možna razširitev tega dela, vendar ni gotovo, da bodo realizirani. Poleg tega lahko komercialne aplikacije zahtevajo uporabo kvantnih pik, ki ne vsebujejo strupenih in reguliranih elementov, kot so živo srebro, kadmij in svinec.
Xingyu Shen, podiplomski študent na Guyot Sionnestu, je dejal: "Stroškovno učinkovita in za uporabo enostavna metoda ustvarjanja infrardeče svetlobe iz kvantnih pik bi lahko bila zelo uporabna."
