Naujas kvantinių taškų metodas infraraudonųjų spindulių šviesai generuoti atveria duris vidutinio infraraudonųjų spindulių lazeriams ir ekonomiškiems jutikliams.
Tyrėjų komanda, vadovaujama Čikagos universiteto fizikos ir chemijos profesoriaus Philippe'o Guyoto Sionnesto, neseniai atrado būdą, kaip generuoti infraraudonąją šviesą per koloidinius kvantinius taškus, o tai atveria galimybę iš naujo apibrėžti vidutinį infraraudonųjų spindulių diapazoną (3). iki 5 µm), nes taškai, kuriuos jie gavo pirmą kartą, buvo beveik tokie pat veiksmingi kaip esami įprasti metodai.
Koloidiniai kvantiniai taškai yra puslaidininkiniai nanokristalai / dalelės, kurių skersmuo yra nuo 5 iki 20 nm, paprastai pagaminti iš kadmio selenido (CdSe), kadmio sulfido (CdS), švino sulfido (PbS), cinko oksido (ZnO) ir indžio fosfido (InP). ), kurios turi unikalių optinių ir elektroninių savybių. Elektroninės bangos rezonuoja šių dalelių viduje, kaip garso ar šviesos bangos ertmėje, ir sukuria pastovias būsenas, kurias galima spektriniu būdu suderinti su nanokristalų dydžiu.
Kvantiniai taškai, skleidžiantys matomą šviesą, buvo rasti komerciniuose gaminiuose, tokiuose kaip šviesos diodai (LED) ir televizoriai. Tačiau kol kas, jei norime kvantinių taškų, galinčių skleisti vidutinio infraraudonųjų spindulių šviesą, paprastai tai sunku pasiekti.
Nors organinės molekulės yra sudarytos iš šviesių atomų, kurie idealiai tinka dažams ir fluorescencijai matomame diapazone, jos neveikia taip gerai vidutinio infraraudonųjų spindulių diapazone, kur molekulės vibruoja ir vidutinio infraraudonųjų spindulių srityje ir greitai slopina elektroninę. sužadinimas.
Neorganinės puslaidininkinės kvantinių taškų medžiagos yra tirpios kaip dažų molekulės ir turi reguliuojamus elektroninius sužadinimus vidutinėje infraraudonųjų spindulių juostoje, tačiau jas sudaro sunkieji atomai, kurie vibruoja daug mažesniu dažniu, todėl jos yra geros infraraudonųjų spindulių ir tirpale apdorojamos medžiagos“, - sako Guyot. Sionnest. Štai kodėl mums kilo mintis tyrinėti infraraudonųjų spindulių puslaidininkių kvantinius taškus – tai prasidėjo prieš 25 metus.
Šiuo metu infraraudonųjų spindulių lazeriai gaminami naudojant molekulinės epitaksijos procesą, kuris, nors ir veiksmingas, yra daug darbo reikalaujantis ir brangus. Todėl mokslininkai norėjo sukurti geresnį būdą realizuoti infraraudonųjų spindulių lazerius, pagrįstus kvantiniais taškais.
Kvantinė mechanika ir kaskados efektas
Komanda nusprendė ištirti „kaskados“ techniką, kuri plačiai naudojama lazeriams gaminti. Norėdami tai padaryti, jie pagamino juodą rašalą, pagamintą iš trilijonų mažų šerdies / apvalkalo HgSe / CdSe nanokristalų, padengė jį laidžiu elektrodu, išgarino antrą laidų elektrodą ant viršaus ir suteikė jam energijos.
Jų metodas apima elektros srovės paleidimą per įrenginį, siunčiant milijonus elektronų į įrenginį. Jei pasiseks, elektronai praeis per daugybę skirtingų energijos lygių, panašiai kaip krisdami žemyn kriokliais. Kiekvieną kartą, kai elektronas nukrenta energijos lygį, jis turi galimybę išspinduliuoti energiją šviesos pavidalu. Tai veikia kvantinės mechanikos dėka.
Guyot Sionnest paaiškina: "Kaskadiniame šviesos dioduose mes susiduriame su dviem kvantinio taško būsenomis: žemiausia pagrindine būsena, kuri yra analogiška vandenilio atomo s būsenai, ir pirmąja sužadintą būseną, kuri yra analogiška p būsenai. “. Kai elektronas atsipalaiduoja iš p būsenos į s būseną, jis skleidžia vidutinę infraraudonąją šviesą. Poslinkis tarp taškų leidžia elektronui pereiti iš šios s būsenos į p būseną kitame taške ir pan.
Grupės nuostabai jie pamatė savo pirmąjį bandymą generuoti infraraudonąją šviesą per koloidinius kvantinius taškus. Guyot Sionnest sakė: „Pirmieji mūsų naujojo infraraudonųjų spindulių generavimo metodo bandymai buvo labai veiksmingi, o kadaise šviesos generavimo efektyvumas padidinamas kvantinių taškų skaičius, jų veikimas pagerės keliomis eilėmis. Tada šie šviesos šaltiniai galės pasiekti precedento neturintį efektyvumą ir mažą kainą."
Guyotas Sionnestas paaiškina: „Pageidaujamas tuneliavimas iš vieno kvantinio taško s būsenos į kito kvantinio taško p būseną toli gražu nėra akivaizdus, nes taip pat galima tiesiog pereiti iš vieno taško s būsenos į Iš pradžių manėme, kad šiai pirmenybei reikės rezonanso esant tiksliai suderintam poslinkiui, tačiau tam tikru dar nežinomu būdu elektronai yra išdėstyti kaskadoje, o ne teka žemyn, todėl poslinkis nesvarbus.
Šiame darbe nėra didelių iššūkių, nes tai yra ankstesnio komandos darbo kuriant fluorescencinius infraraudonųjų spindulių kvantinius taškus laboratorijoje taikymas, ir jie jau turi patirties gaminant pirmuosius vidutinio infraraudonųjų spindulių šviesos diodus su kvantiniais taškais ir matuojant jų skaičių. išėjimo šviesa.
"Tačiau tam reikia neįprasto įgūdžių derinio cheminėse ir fizinėse sąsajose." Guyotas Sionnestas sako: „Dėka Xinygyu Shen ir Ananth Kamath. Tik nedaugeliui komandų pavyko sujungti cheminius įgūdžius, kad sukurtų kvantinius taškus, gamybos įrankius prietaisams gaminti ir vidutinio infraraudonųjų spindulių prietaisus, kad juos apibūdintų.
Optiniai dujų jutikliai ir lazeriai
Akivaizdžiausias ir tikėtinas infraraudonųjų spindulių, generuojamų per kvantinius taškus, pritaikymas yra optiniai dujų jutikliai, sako Guyotas Sionnestas: „Masinė greitų ir efektyvių kvantinių taškų šviesos diodų ir panašiai greitų bei efektyvių kvantinių taškų detektorių gamyba optinis dujų jutimas taps daug pigesnis. nei dabartinė puslaidininkių technologija. Ji taip pat užtikrins geresnį jautrumą nei pigios technologijos, pagrįstos šilumos šaltiniais ir termoelektriniais detektoriais."
Lazeriai yra galimas šio darbo pratęsimas, tačiau nėra tikras, kad jie bus įgyvendinti. Be to, komercinėms reikmėms gali reikėti naudoti kvantinius taškus, kuriuose nėra toksiškų ir reguliuojamų elementų, tokių kaip gyvsidabris, kadmis ir švinas.
Xingyu Shen, „Guyot Sionnest“ magistrantė, sakė: „Riniškai efektyvus ir paprastas naudoti metodas infraraudonųjų spindulių šviesai iš kvantinių taškų sukurti gali būti labai naudingas“.
