Новый метод квантовых точек для генерации инфракрасного света открывает двери для лазеров среднего инфракрасного диапазона и экономичных датчиков.
Группа исследователей под руководством Филиппа Гюйо Сионнеста, профессора физики и химии Чикагского университета, недавно открыла способ генерации инфракрасного света с помощью коллоидных квантовых точек, который открывает дверь к возможности переопределить средний инфракрасный диапазон (3 до 5 мкм), поскольку точки, полученные с первой попытки, были почти столь же эффективны, как и существующие традиционные методы.
Коллоидные квантовые точки представляют собой полупроводниковые нанокристаллы/частицы диаметром от 5 до 20 нм, обычно состоящие из селенида кадмия (CdSe), сульфида кадмия (CdS), сульфида свинца (PbS), оксида цинка (ZnO) и фосфида индия (InP). ), которые обладают уникальными оптическими и электронными свойствами. Электронные волны резонируют внутри этих частиц, как звуковые или световые волны в полости, и создают устойчивые состояния, которые можно спектрально настроить в соответствии с размером нанокристаллов.
Квантовые точки, излучающие видимый свет, были обнаружены в коммерческих продуктах, таких как светодиоды (LED) и телевизоры. Но до сих пор, если кто-то хочет получить квантовые точки, способные производить свет среднего инфракрасного диапазона, обычно этого трудно достичь.
Хотя органические молекулы состоят из легких атомов, которые идеально подходят для красителей и флуоресценции в видимом диапазоне, они не так хорошо работают в среднем инфракрасном диапазоне, где молекулы вибрируют также в среднем инфракрасном диапазоне и быстро подавляют электронику. возбуждение.
Неорганические полупроводниковые материалы с квантовыми точками растворимы, как молекулы красителей, и имеют настраиваемое электронное возбуждение в среднем инфракрасном диапазоне, но они состоят из тяжелых атомов, которые вибрируют на гораздо более низких частотах, что делает их хорошими инфракрасными материалами и материалами, пригодными для обработки в растворе», — говорит Гайо. Сионнест. Именно это натолкнуло нас на идею изучить инфракрасные полупроводниковые квантовые точки — это началось 25 лет назад».
Инфракрасные лазеры в настоящее время производятся методом молекулярной эпитаксии, который, хотя и эффективен, но трудоемок и дорог. Поэтому исследователи хотели создать лучший способ реализации инфракрасных лазеров на основе квантовых точек.
Квантовая механика и каскадный эффект
Команда решила изучить «каскадную» технику, которая широко используется для изготовления лазеров. Для этого они изготовили черные чернила из триллионов крошечных нанокристаллов ядра/оболочки HgSe/CdSe, покрыли их проводящим электродом, испарили сверху второй проводящий электрод и подали на него напряжение.
Их метод заключается в пропускании через устройство электрического тока, посылающего в устройство миллионы электронов. В случае успеха электроны пройдут через ряд различных энергетических уровней, подобно падению через серию водопадов. Каждый раз, когда электрон понижает энергетический уровень, он получает возможность излучать энергию в виде света. Это работает благодаря квантовой механике.
Гайо Сионнест объясняет: «В каскадном светодиоде мы имеем дело с двумя состояниями квантовой точки: низшим основным состоянием, которое аналогично s-состоянию атома водорода, и первым возбужденным состоянием, которое аналогично p-состоянию. ." Когда электрон релаксирует из p-состояния в s-состояние, он излучает свет в среднем инфракрасном диапазоне. Смещение между точками позволяет электрону туннелировать из этого s-состояния в p-состояние в следующей точке и так далее».
К удивлению команды, они увидели свет в своей первой попытке генерировать инфракрасный свет с помощью коллоидных квантовых точек. Гайот Сионнест сказал: «Первые попытки нашего нового метода генерации инфракрасного света были очень эффективными, и однажды эффективность генерации света в пределах Количество квантовых точек увеличится, их производительность улучшится на несколько порядков. Тогда эти источники света смогут достичь беспрецедентной эффективности и низкой стоимости».
Гайо Сионнест объясняет: «Предпочтительное туннелирование из s-состояния одной квантовой точки в p-состояние следующей квантовой точки далеко не очевидно, поскольку также возможно просто перейти из s-состояния одной точки в p-состояние следующей квантовой точки. s-состояние следующего. Первоначально мы думали, что это предпочтение потребует резонанса при точно настроенном смещении, но каким-то пока неизвестным образом электроны располагаются каскадом, а не текут вниз, поэтому смещение не имеет значения».
В этой работе нет серьезных проблем, поскольку она представляет собой применение предыдущей работы команды по созданию флуоресцентных инфракрасных квантовых точек в лаборатории, и у них уже есть опыт изготовления первых светодиодов среднего инфракрасного диапазона с квантовыми точками и измерения их выходной свет.
«Но это требует необычного сочетания навыков в области химических и физических процессов». Гайот Сионнест говорит: «Благодаря Синигью Шену и Ананту Камату очень немногие команды смогли объединить химические навыки для создания квантовых точек, производственные инструменты для изготовления устройств и приборы среднего инфракрасного диапазона для их характеристики».
Оптические датчики газа и лазеры
Наиболее очевидным и вероятным применением инфракрасного света, генерируемого с помощью квантовых точек, являются оптические датчики газа, говорит Гайо Сионнест: «Массовое производство быстрых и эффективных светодиодов на квантовых точках, а также столь же быстрых и эффективных детекторов квантовых точек сделает оптическое зондирование газа намного дешевле. чем нынешняя полупроводниковая технология. Она также обеспечит лучшую чувствительность, чем недорогие технологии, основанные на источниках тепла и термоэлектрических детекторах».
Лазеры являются возможным продолжением этой работы, но не факт, что они будут реализованы. Кроме того, коммерческие приложения могут потребовать использования квантовых точек, не содержащих токсичных и регулируемых элементов, таких как ртуть, кадмий и свинец.
Синъюй Шен, аспирант Гайот Сионнест, сказал: «Экономичный и простой в использовании метод создания инфракрасного света из квантовых точек может оказаться очень полезным».
