Новий метод квантових точок для генерації інфрачервоного світла відкриває двері для лазерів середнього інфрачервоного діапазону та економічно ефективних датчиків.
Команда дослідників під керівництвом Філіпа Гюйо Сіоннеста, професора фізики та хімії Чиказького університету, нещодавно відкрила спосіб генерувати інфрачервоне світло за допомогою колоїдних квантових точок, що відкриває двері для можливості перевизначення середнього інфрачервоного діапазону (3 до 5 мкм), оскільки точки, які вони отримали з першої спроби, були майже такими ж ефективними, як і існуючі звичайні методи.
Колоїдні квантові точки — це напівпровідникові нанокристали/частинки діаметром приблизно від 5 до 20 нм, зазвичай виготовлені з селеніду кадмію (CdSe), сульфіду кадмію (CdS), сульфіду свинцю (PbS), оксиду цинку (ZnO) та фосфіду індію (InP). ), які мають унікальні оптичні та електронні властивості. Електронні хвилі резонують усередині цих частинок, як звукові або світлові хвилі в порожнині, і це створює стійкі стани, які можна спектрально настроїти відповідно до розміру нанокристалів.
Квантові точки, які створюють видиме світло, були знайдені в комерційних продуктах, таких як світлодіоди (світлодіоди) і телевізори. Але поки що, якщо хтось хоче отримати квантові точки, які можуть виробляти світло середнього інфрачервоного діапазону, це зазвичай важко досягти.
У той час як органічні молекули складаються з легких атомів, які ідеально підходять для барвників і флуоресценції у видимому діапазоні, вони не так добре працюють у середньому інфрачервоному діапазоні, де молекули також вібрують у середньому інфрачервоному діапазоні та швидко пригнічують електроніку. збудження.
Неорганічні напівпровідникові матеріали з квантовими точками розчиняються, як молекули барвників, і мають регульовані електронні збудження в середньому інфрачервоному діапазоні, але вони складаються з важких атомів, які вібрують на набагато нижчих частотах, що робить їх хорошими інфрачервоними матеріалами та матеріалами, які можна обробляти розчином», — каже Гайо. Sionnest. Саме це дало нам ідею вивчати інфрачервоні напівпровідникові квантові точки – це почалося 25 років тому».
Зараз інфрачервоні лазери виготовляються за допомогою процесу молекулярної епітаксії, який, незважаючи на ефективність, є трудомістким і дорогим. Тому дослідники хотіли створити кращий спосіб реалізації інфрачервоних лазерів на основі квантових точок.
Квантова механіка та ефект каскаду
Команда вирішила вивчити «каскадну» техніку, яка широко використовується для виготовлення лазерів. Для цього вони зробили чорне чорнило, виготовлене з трильйонів крихітних нанокристалів HgSe/CdSe у вигляді ядра/оболонки, покрили його провідним електродом, випарили другий провідний електрод зверху та включили його під напругу.
Їх метод полягає в тому, що через пристрій пропускають електричний струм, надсилаючи до нього мільйони електронів. У разі успіху електрони пройдуть через серію різних енергетичних рівнів, подібно до падіння серії водоспадів. Щоразу, коли електрон падає на енергетичний рівень, він отримує шанс випромінювати енергію у вигляді світла. Це працює завдяки квантовій механіці.
Гайот Сіоннест пояснює: «У каскадному світлодіоді ми маємо справу з двома станами квантової точки: найнижчим основним станом, який аналогічний s-стану атома водню, і першим збудженим станом, який аналогічний p-стану. ." Коли електрон релаксує з p-стану в s-стан, він випромінює світло середнього інфрачервоного діапазону. Зміщення між точками дозволяє електрону тунелювати з цього s-стану в p-стан у наступній точці і так далі».
На подив команди, вони побачили світло під час своєї першої спроби генерувати інфрачервоне світло за допомогою колоїдних квантових точок. Гюйот Сіоннест сказав: «Перші спроби нашого нового методу генерації інфрачервоного світла були дуже ефективними, і як тільки ефективність генерування світла в межах збільшиться кількість квантових точок, їх продуктивність покращиться на кілька порядків. Тоді ці джерела світла зможуть досягти безпрецедентної ефективності та низької вартості».
Гайот Сіоннест пояснює: «Переважне тунелювання від s-стану однієї квантової точки до p-стану наступної квантової точки далеко не очевидно, оскільки також можна просто перейти від s-стану однієї точки до s-стан наступного. Ми спочатку думали, що для цього переваги потрібен резонанс із точно налаштованим зміщенням, але якимось ще невідомим способом електрони розташовані каскадом, а не течуть вниз, тому зміщення не має значення».
У цій роботі немає серйозних труднощів, оскільки це застосування попередньої роботи команди зі створення флуоресцентних інфрачервоних квантових точок у лабораторії, і вони вже мають досвід створення перших світлодіодів середнього інфрачервоного діапазону з квантовими точками та вимірювання їх вихідне світло.
«Але для цього потрібна незвичайна комбінація навичок у хімічному та фізичному поділах». Гайот Сьоннест каже: «Завдяки Сінігю Шену та Ананту Камату дуже небагато команд змогли поєднати хімічні навички для створення квантових точок, інструменти для виготовлення пристроїв і прилади середнього інфрачервоного діапазону для їх характеристики».
Оптичні датчики газу та лазери
Найбільш очевидним і вірогідним застосуванням інфрачервоного світла, створюваного за допомогою квантових точок, є оптичні датчики газу, говорить Гайот Сьоннест: «Масове виробництво швидких і ефективних світлодіодів на квантових точках і таких же швидких і ефективних детекторів на квантових точках значно здешевить оптичне визначення газу. ніж сучасні напівпровідникові технології. Це також забезпечить кращу чутливість, ніж недорогі технології на основі джерел тепла та термоелектричних детекторів».
Лазери є можливим продовженням цієї роботи, але немає впевненості, що вони будуть реалізовані. Крім того, комерційне застосування може вимагати використання квантових точок, які не містять токсичних і регульованих елементів, таких як ртуть, кадмій і свинець.
Xingyu Shen, аспірант Guyot Sionnest, сказав: «Економічний і простий у використанні метод створення інфрачервоного світла з квантових точок може бути дуже корисним».
