Nová metoda kvantové tečky pro generování infračerveného světla otevírá dveře středně infračerveným laserům a cenově výhodným senzorům.
Tým výzkumníků vedený Philippem Guyotem Sionnestem, profesorem fyziky a chemie na Chicagské univerzitě, nedávno objevil způsob, jak generovat infračervené světlo prostřednictvím koloidních kvantových teček, který otevírá dveře možnosti předefinování středního infračerveného rozsahu (3 do 5 µm), protože body, které získali při prvním pokusu, byly téměř stejně účinné jako stávající konvenční metody.
Koloidní kvantové tečky jsou polovodičové nanokrystaly/částice o průměru asi 5 až 20 nm, obvykle vyrobené ze selenidu kadmia (CdSe), sulfidu kademnatého (CdS), sulfidu olovnatého (PbS), oxidu zinečnatého (ZnO) a fosfidu india (InP ), které mají jedinečné optické a elektronické vlastnosti. Elektronové vlny rezonují uvnitř těchto částic, jako zvukové nebo světelné vlny v dutině, a vytvářejí ustálené stavy, které lze spektrálně vyladit na velikost nanokrystalů.
Kvantové tečky, které produkují viditelné světlo, byly nalezeny v komerčních produktech, jako jsou světelné diody (LED) a televizory. Ale pokud někdo chce kvantové tečky, které mohou produkovat střední infračervené světlo, je obvykle obtížné toho dosáhnout.
Zatímco organické molekuly jsou vyrobeny z lehkých atomů, které jsou ideální pro barviva a fluorescenci ve viditelné oblasti, nefungují tak dobře ve střední infračervené oblasti, kde molekuly vibrují také ve střední infračervené oblasti a rychle potlačují elektronické excitace.
Anorganické polovodičové kvantové tečkové materiály jsou rozpustné jako molekuly barviva a mají laditelné elektronické buzení ve středním infračerveném pásmu, ale jsou složeny z těžkých atomů, které vibrují na mnohem nižších frekvencích, což z nich dělá dobré infračervené a v roztoku zpracovatelné materiály,“ říká Guyot. Sionnest. To nás přivedlo na myšlenku studovat infračervené polovodičové kvantové tečky - začalo to před 25 lety."
Infračervené lasery jsou v současnosti vyráběny procesem molekulární epitaxe, který je sice účinný, ale je pracný a drahý. Vědci proto chtěli vytvořit lepší způsob, jak realizovat infračervené lasery založené na kvantových tečkách.
Kvantová mechanika a kaskádový efekt
Tým se rozhodl prozkoumat "kaskádovou" techniku, která se široce používá k výrobě laserů. Za tímto účelem vyrobili černý inkoust vyrobený z bilionů drobných nanokrystalů HgSe/CdSe s jádrem/slupkou, pokryli ho vodivou elektrodou, odpařili druhou vodivou elektrodu nahoře a napájeli ji.
Jejich metoda spočívá v tom, že zařízením prochází elektrický proud, který do zařízení posílá miliony elektronů. Pokud budou úspěšné, elektrony projdou řadou různých energetických úrovní, podobně jako když padnou řadou vodopádů. Pokaždé, když elektron klesne o energetickou hladinu, dostane šanci vyzařovat energii ve formě světla. Funguje to díky kvantové mechanice.
Guyot Sionnest vysvětluje: „V kaskádové LED se zabýváme dvěma stavy kvantové tečky: nejnižším základním stavem, který je analogický stavu s atomu vodíku, a prvním excitovaným stavem, který je analogický stavu p. ." Když se elektron uvolní z p-stavu do s-stavu, vyzařuje střední infračervené světlo. Předpětí mezi body umožňuje elektronu tunelovat z tohoto stavu do stavu p v dalším bodě a tak dále."
K překvapení týmu spatřili světlo při svém prvním pokusu generovat infračervené světlo prostřednictvím koloidních kvantových teček. Guyot Sionnest řekl: „První pokusy o naši novou metodu generování infračerveného světla byly velmi účinné a jakmile byla účinnost generování světla uvnitř kvantových teček se zvýší, jejich výkon se zlepší o několik řádů. Tyto světelné zdroje pak budou schopny dosáhnout bezprecedentní účinnosti a nízkých nákladů."
Guyot Sionnest vysvětluje: „Upřednostňované tunelování ze s-stavu jedné kvantové tečky do p-stavu další kvantové tečky není zdaleka zřejmé, protože je také možné jednoduše přejít ze s-stavu jedné kvantové tečky do s-stav dalšího. Původně jsme si mysleli, že tato preference bude vyžadovat rezonanci s jemně vyladěným předpětím, ale nějakým dosud neznámým způsobem jsou elektrony uspořádány spíše do kaskády, než aby proudily dolů, takže na předpětí nezáleží."
S touto prací nejsou spojeny žádné velké problémy, protože jde o aplikaci předchozí práce týmu na vytváření fluorescenčních infračervených kvantových teček v laboratoři a již mají zkušenosti s výrobou prvních středně infračervených LED s kvantovými tečkami a měřením jejich výstupní světlo.
"Ale vyžaduje to neobvyklou kombinaci dovedností na chemických a fyzikálních rozhraních." Guyot Sionnest říká: "Díky Xinygyu Shen a Ananth Kamath. Jen velmi málo týmů dokázalo zkombinovat chemické dovednosti, aby vytvořily kvantové tečky, výrobní nástroje pro výrobu zařízení a střední infračervené vybavení k jejich charakterizaci."
Optické plynové senzory a lasery
Nejzřejmější a nejpravděpodobnější aplikací infračerveného světla generovaného prostřednictvím kvantových teček jsou optické senzory plynu, říká Guyot Sionnest: „Hromadná výroba rychlých a účinných kvantových teček LED a podobně rychlých a účinných kvantových teček učiní optické snímání plynu mnohem levnější. než současná polovodičová technologie. Poskytne také lepší citlivost než levné technologie založené na zdrojích tepla a termoelektrických detektorech.“
Lasery jsou možným rozšířením této práce, ale není jisté, že budou realizovány. Kromě toho mohou komerční aplikace vyžadovat použití kvantových teček, které neobsahují toxické a regulované prvky, jako je rtuť, kadmium a olovo.
Xingyu Shen, postgraduální student na Guyot Sionnest, řekl: "Nákladově efektivní a snadno použitelná metoda vytváření infračerveného světla z kvantových teček by mohla být velmi užitečná."
