Nova metoda kvantne točke za generiranje infracrvenog svjetla otvara vrata laserima srednjeg infracrvenog spektra i isplativim senzorima.
Tim istraživača predvođen Philippeom Guyotom Sionnestom, profesorom fizike i kemije na Sveučilištu u Chicagu, nedavno je otkrio način generiranja infracrvenog svjetla putem koloidnih kvantnih točaka koji otvara vrata mogućnosti redefiniranja srednjeg infracrvenog raspona (3 do 5 µm), jer su točkice koje su dobili u prvom pokušaju bile gotovo jednako učinkovite kao postojeće konvencionalne metode.
Koloidne kvantne točke su poluvodički nanokristali/čestice promjera od oko 5 do 20 nm, obično izrađene od kadmijeva selenida (CdSe), kadmijeva sulfida (CdS), olovova sulfida (PbS), cinkovog oksida (ZnO) i indijevog fosfida (InP). ), koji imaju jedinstvena optička i elektronička svojstva. Elektronski valovi rezoniraju unutar tih čestica, poput zvučnih ili svjetlosnih valova u šupljini, i stvaraju stabilna stanja koja se mogu spektralno prilagoditi veličini nanokristala.
Kvantne točke koje proizvode vidljivu svjetlost pronađene su u komercijalnim proizvodima kao što su diode koje emitiraju svjetlost (LED) i televizori. Ali za sada, ako netko želi kvantne točke koje mogu proizvesti srednje infracrveno svjetlo, to je obično teško postići.
Iako su organske molekule sastavljene od lakih atoma, koji su idealni za boje i fluorescenciju u vidljivom području, nemaju tako dobre rezultate u srednjem infracrvenom području, gdje molekule vibriraju i u srednjem infracrvenom području i brzo potiskuju elektronsku uzbuđenje.
Anorganski poluvodički materijali s kvantnom točkom topljivi su poput molekula bojila i imaju podesive elektroničke ekscitacije u srednjem infracrvenom pojasu, ali se sastoje od teških atoma koji vibriraju na puno nižim frekvencijama, što ih čini dobrim infracrvenim materijalima i materijalima koji se mogu obraditi u otopini," kaže Guyot Sionnest. To nam je dalo ideju da proučavamo infracrvene poluvodičke kvantne točke - počelo je prije 25 godina."
Infracrveni laseri se trenutno proizvode postupkom molekularne epitaksije, koji je, iako učinkovit, radno intenzivan i skup. Stoga su istraživači htjeli stvoriti bolji način za realizaciju infracrvenih lasera temeljenih na kvantnim točkama.
Kvantna mehanika i kaskadni efekt
Tim je odlučio istražiti "kaskadnu" tehniku koja se široko koristi za izradu lasera. Da bi to učinili, napravili su crnu tintu napravljenu od trilijuna sićušnih jezgri/ljuske HgSe/CdSe nanokristala, obložili je vodljivom elektrodom, isparili drugu vodljivu elektrodu na vrhu i napajali je.
Njihova metoda uključuje puštanje električne struje kroz uređaj, šaljući milijune elektrona u uređaj. Ako uspije, elektroni će proći kroz niz različitih energetskih razina, slično kao da padaju niz niz slapova. Svaki put kada elektron spusti razinu energije, dobiva priliku emitirati energiju u obliku svjetlosti. Djeluje zahvaljujući kvantnoj mehanici.
Guyot Sionnest objašnjava: "U kaskadnom LED-u imamo posla s dva stanja kvantne točke: najniže osnovno stanje, koje je analogno s stanju atoma vodika, i prvo pobuđeno stanje, koje je analogno p stanju ." Kada se elektron opusti iz p-stanja u s-stanje, emitira srednje infracrveno svjetlo. Pristranost između točaka omogućuje elektronu tunel iz ovog s stanja u p stanje u sljedećoj točki, i tako dalje."
Na iznenađenje tima, vidjeli su svjetlo u svom prvom pokušaju generiranja infracrvenog svjetla putem koloidnih kvantnih točaka. Guyot Sionnest je rekao: "Prvi pokušaji naše nove metode generiranja infracrvenog svjetla bili su vrlo učinkoviti, a nakon što je učinkovitost generiranja svjetla unutar kvantnih točaka poveća, njihova će se izvedba poboljšati za nekoliko redova veličine. Ovi izvori svjetlosti tada će moći postići neviđenu učinkovitost i niske troškove."
Guyot Sionnest objašnjava: "Preferirano tuneliranje iz s-stanja jedne kvantne točke u p-stanje sljedeće kvantne točke daleko je od očitog, jer je također moguće jednostavno prijeći iz s-stanja jedne točke u s-stanje sljedećeg. U početku smo mislili da bi ova preferencija zahtijevala rezonanciju pri fino podešenom prednaprezanju, ali na neki još nepoznat način elektroni su raspoređeni u kaskadi umjesto da teku prema dolje, tako da prednapon nije bitan."
Nema većih izazova uključenih u ovaj rad, budući da je to primjena prethodnog rada tima na izradi fluorescentnih infracrvenih kvantnih točaka u laboratoriju, a oni već imaju iskustva u izradi prvih srednje infracrvenih LED dioda s kvantnim točkama i mjerenju njihove izlazno svjetlo.
"Ali zahtijeva neobičnu kombinaciju vještina na kemijskim i fizičkim sučeljima." Guyot Sionnest kaže, "zahvaljujući Xinygyu Shenu i Ananthu Kamathu. vrlo je mali broj timova uspio kombinirati kemijske vještine za izradu kvantnih točaka, alate za izradu uređaja i instrumentaciju srednjeg infracrvenog zračenja za njihovu karakterizaciju."
Optički plinski senzori i laseri
Najočitija i vjerojatnija primjena infracrvenog svjetla generiranog putem kvantnih točaka su optički senzori plina, kaže Guyot Sionnest: "Masovna proizvodnja brzih i učinkovitih LED dioda s kvantnim točkama i slično brzih i učinkovitih detektora s kvantnim točkama, učinit će optičko detektiranje plina mnogo jeftinijim nego trenutna tehnologija poluvodiča. Također će pružiti bolju osjetljivost od jeftinih tehnologija temeljenih na izvorima topline i termoelektričnim detektorima."
Laseri su mogući produžetak ovog posla, ali nije sigurno da će biti realizirani. Osim toga, komercijalne primjene mogu zahtijevati upotrebu kvantnih točaka koje su bez toksičnih i reguliranih elemenata kao što su živa, kadmij i olovo.
Xingyu Shen, diplomirani student na Guyot Sionnestu, rekao je: "Isplativa i jednostavna metoda stvaranja infracrvenog svjetla iz kvantnih točaka mogla bi biti vrlo korisna."
