Нов метод с квантови точки за генериране на инфрачервена светлина отваря вратата към средноинфрачервени лазери и рентабилни сензори.
Екип от изследователи, ръководен от Philippe Guyot Sionnest, професор по физика и химия в Чикагския университет, наскоро откри начин за генериране на инфрачервена светлина чрез колоидни квантови точки, което отваря вратата към възможността за предефиниране на средния инфрачервен диапазон (3 до 5 µm), тъй като точките, които са получили при първия си опит, са почти толкова ефективни, колкото съществуващите конвенционални методи.
Колоидните квантови точки са полупроводникови нанокристали/частици с диаметър от около 5 до 20 nm, обикновено направени от кадмиев селенид (CdSe), кадмиев сулфид (CdS), оловен сулфид (PbS), цинков оксид (ZnO) и индиев фосфид (InP ), които имат уникални оптични и електронни свойства. Електронните вълни резонират вътре в тези частици, като звукови или светлинни вълни в кухина, и създават стабилни състояния, които могат да бъдат спектрално настроени към размера на нанокристалите.
Квантовите точки, които произвеждат видима светлина, са открити в търговски продукти като светодиоди (LED) и телевизори. Но досега, ако някой иска квантови точки, които могат да произведат средна инфрачервена светлина, обикновено е трудно да се постигне.
Докато органичните молекули са направени от леки атоми, които са идеални за багрила и флуоресценция във видимия диапазон, те не се представят толкова добре в средния инфрачервен диапазон, където молекулите вибрират и в средния инфрачервен диапазон и бързо потискат електронните възбуда.
Неорганичните полупроводникови материали с квантови точки са разтворими като молекулите на багрилото и имат регулируеми електронни възбуждания в средната инфрачервена лента, но те са съставени от тежки атоми, които вибрират на много по-ниски честоти, което ги прави добри инфрачервени и обработваеми с разтвори материали“, казва Гюйо Sionnest. Това ни даде идеята да изследваме инфрачервените полупроводникови квантови точки - това започна преди 25 години."
Инфрачервените лазери понастоящем се произвеждат чрез процес на молекулярна епитаксия, който, макар и ефективен, е трудоемък и скъп. Ето защо изследователите искаха да създадат по-добър начин за реализиране на инфрачервени лазери, базирани на квантови точки.
Квантова механика и каскаден ефект
Екипът реши да проучи "каскадна" техника, която се използва широко за производството на лазери. За да направят това, те направиха черно мастило, направено от трилиони малки нанокристали ядро/обвивка HgSe/CdSe, покриха го с проводящ електрод, изпариха втори проводим електрод отгоре и го заредиха с енергия.
Техният метод включва преминаване на електрически ток през устройството, изпращайки милиони електрони към устройството. Ако успеят, електроните ще преминат през серия от различни енергийни нива, подобно на падане на серия от водопади. Всеки път, когато електрон спадне енергийно ниво, той получава шанс да излъчва енергия под формата на светлина. Работи благодарение на квантовата механика.
Guyot Sionnest обяснява: „В каскаден светодиод имаме работа с две състояния на квантовата точка: най-ниското основно състояние, което е аналогично на s състоянието на водородния атом, и първото възбудено състояние, което е аналогично на p състоянието ." Когато един електрон се отпусне от p-състояние в s-състояние, той излъчва средна инфрачервена светлина. Отклонението между точките позволява на електрона да тунелира от това s състояние до p състоянието в следващата точка и т.н."
За изненада на екипа, те видяха светлина при първия си опит да генерират инфрачервена светлина чрез колоидни квантови точки. Guyot Sionnest каза: „Първите опити за нашия нов метод за генериране на инфрачервена светлина бяха много ефективни и след като ефективността на генериране на светлина в рамките на броят на квантовите точки се увеличи, тяхната производителност ще се подобри с няколко порядъка. След това тези източници на светлина ще могат да постигнат безпрецедентна ефективност и ниска цена."
Guyot Sionnest обяснява: „Предпочитаното тунелиране от s-състоянието на една квантова точка до p-състоянието на следващата квантова точка далеч не е очевидно, тъй като също така е възможно просто да се премине от s-състоянието на една точка към s-състояние на следващия. Първоначално смятахме, че това предпочитание ще изисква резонанс при фино настроено отклонение, но по някакъв все още неизвестен начин електроните са подредени в каскада, вместо да текат надолу, така че отклонението няма значение."
Няма големи предизвикателства, свързани с тази работа, тъй като това е приложение на предишната работа на екипа за създаване на флуоресцентни инфрачервени квантови точки в лабораторията и те вече имат опит в създаването на първите средноинфрачервени светодиоди с квантови точки и измерването на техните изходна светлина.
"Но това изисква необичайна комбинация от умения в химическите и физическите интерфейси." Guyot Sionnest казва, "благодарение на Xinygyu Shen и Ananth Kamath. много малко екипи са успели да комбинират химическите умения, за да направят квантови точки, производствените инструменти, за да направят устройствата, и средната инфрачервена апаратура, за да ги характеризират."
Оптични газови сензори и лазери
Най-очевидното и вероятно приложение на инфрачервена светлина, генерирана чрез квантови точки, са оптичните газови сензори, казва Guyot Sionnest: „Масовото производство на бързи и ефективни квантови точкови светодиоди и подобни бързи и ефективни квантови точкови детектори ще направи оптичното отчитане на газ много по-евтино отколкото сегашната полупроводникова технология. Освен това ще осигури по-добра чувствителност от евтините технологии, базирани на източници на топлина и термоелектрически детектори."
Лазерите са възможно продължение на тази работа, но не е сигурно, че ще бъдат реализирани. Освен това търговските приложения може да изискват използването на квантови точки, които не съдържат токсични и регулирани елементи като живак, кадмий и олово.
Xingyu Shen, завършил студент в Guyot Sionnest, каза: "Ефективен и лесен за използване метод за създаване на инфрачервена светлина от квантови точки може да бъде много полезен."
