Nova metoda kvantnih tačaka za generiranje infracrvene svjetlosti otvara vrata za srednje infracrvene lasere i isplative senzore.
Tim istraživača predvođen Philippeom Guyotom Sionnestom, profesorom fizike i hemije na Univerzitetu u Čikagu, nedavno je otkrio način da se generiše infracrveno svetlo kroz koloidne kvantne tačke koje otvaraju vrata mogućnosti redefinisanja srednjeg infracrvenog opsega (3 do 5 µm), jer su tačke koje su dobili iz prvog pokušaja bile gotovo jednako efikasne kao i postojeće konvencionalne metode.
Koloidne kvantne tačke su poluvodički nanokristali/čestice prečnika od oko 5 do 20 nm, obično napravljeni od kadmijum selenida (CdSe), kadmijum sulfida (CdS), olovo sulfida (PbS), cink oksida (ZnO) i indijum phos ), koji imaju jedinstvena optička i elektronska svojstva. Elektronski valovi rezoniraju unutar ovih čestica, poput zvučnih ili svjetlosnih valova u šupljini, i stvaraju stabilna stanja koja se spektralno mogu podesiti prema veličini nanokristala.
Kvantne tačke koje proizvode vidljivo svjetlo pronađene su u komercijalnim proizvodima kao što su diode koje emituju svjetlost (LED) i televizori. Ali do sada, ako neko želi kvantne tačke koje mogu proizvesti srednju infracrvenu svjetlost, to je obično teško postići.
Dok su organske molekule napravljene od svjetlosnih atoma, koji su idealni za boje i fluorescenciju u vidljivom području, oni ne djeluju tako dobro u srednjem infracrvenom području, gdje molekuli vibriraju i u srednjem infracrvenom području i brzo potiskuju elektronske uzbuđenje.
Neorganski poluvodički materijali s kvantnim tačkama su topljivi poput molekula boje i imaju podesivu elektronsku pobudu u srednjem infracrvenom pojasu, ali se sastoje od teških atoma koji vibriraju na mnogo nižim frekvencijama, što ih čini dobrim infracrvenim materijalima i materijalima koji se obrađuju u otopinama", kaže Guyot. Sionnest. To nam je dalo ideju da proučavamo infracrvene poluprovodničke kvantne tačke – počelo je prije 25 godina."
Infracrveni laseri se trenutno proizvode postupkom molekularne epitaksije, koji je, iako efikasan, radno intenzivan i skup. Stoga su istraživači željeli stvoriti bolji način realizacije infracrvenih lasera zasnovanih na kvantnim tačkama.
Kvantna mehanika i kaskadni efekat
Tim je odlučio istražiti "kaskadnu" tehniku koja se široko koristi za izradu lasera. Da bi to uradili, napravili su crno mastilo napravljeno od triliona sićušnih nanokristala jezgra/ljuske HgSe/CdSe, premazali ga provodljivom elektrodom, isparili drugu provodnu elektrodu na vrhu i dali joj energiju.
Njihova metoda uključuje pokretanje električne struje kroz uređaj, šaljući milione elektrona u uređaj. Ako uspiju, elektroni će proći kroz niz različitih energetskih nivoa, slično kao da padaju niz niz vodopada. Svaki put kada elektron spusti energetski nivo, dobija priliku da emituje energiju u obliku svetlosti. Radi zahvaljujući kvantnoj mehanici.
Guyot Sionnest objašnjava: "U kaskadnoj LED diodi imamo posla s dva stanja kvantne tačke: najniže osnovno stanje, koje je analogno s stanju atoma vodika, i prvo pobuđeno stanje, koje je analogno p stanju ." Kada se elektron relaksira iz p-stanja u s-stanje, on emituje srednju infracrvenu svjetlost. Pristrasnost između tačaka omogućava elektronu da tunelira iz ovog s stanja u stanje p u sljedećoj tački, i tako dalje."
Na iznenađenje tima, vidjeli su svjetlo na svoj prvi pokušaj generiranja infracrvene svjetlosti kroz koloidne kvantne tačke. Guyot Sionnest je rekao: "Prvi pokušaji naše nove metode generiranja infracrvene svjetlosti bili su vrlo efikasni, a jednom je efikasnost generiranja svjetlosti unutar kada se kvantne tačke povećaju, njihove performanse će se poboljšati za nekoliko redova veličine. Ovi izvori svjetlosti će tada moći postići neviđenu efikasnost i niske troškove."
Guyot Sionnest objašnjava: "Preferirano tuneliranje iz s-stanja jedne kvantne tačke u p-stanje sljedeće kvantne tačke je daleko od očiglednog, jer je također moguće jednostavno prijeći iz s-stanja jedne tačke u s-stanje sljedećeg. U početku smo mislili da će ova preferencija zahtijevati rezonanciju pri fino podešenoj pristrasnosti, ali na neki još nepoznat način elektroni su raspoređeni u kaskadi, a ne da teku prema dolje, tako da pristrasnost nije bitna."
U ovom poslu nema većih izazova, jer se radi o primjeni prethodnog rada tima na izradi fluorescentnih infracrvenih kvantnih tačaka u laboratoriji, a već imaju iskustva u izradi prvih srednje infracrvenih LED dioda sa kvantnim tačkama i mjerenju njihovih izlazno svjetlo.
"Ali to zahtijeva neobičnu kombinaciju vještina na kemijskim i fizičkim sučeljima." Guyot Sionnest kaže, "zahvaljujući Xinygyu Shenu i Ananthu Kamathu. vrlo mali broj timova je uspio kombinovati hemijske vještine za pravljenje kvantnih tačaka, alate za proizvodnju za izradu uređaja i srednje infracrvene instrumente za njihovo karakteriziranje."
Optički plinski senzori i laseri
Najočiglednija i najvjerovatnija primjena infracrvene svjetlosti koja se generira kroz kvantne tačke su optički senzori plina, kaže Guyot Sionnest: "Masovna proizvodnja brzih i efikasnih LED dioda s kvantnim tačkama, kao i sličnih brzih i efikasnih detektora kvantnih tačaka, učinit će optički senzor plina mnogo jeftinijim nego sadašnja poluvodička tehnologija. Takođe će pružiti bolju osjetljivost od jeftinih tehnologija zasnovanih na izvorima topline i termoelektričnim detektorima."
Laseri su mogući nastavak ovog posla, ali nije sigurno da će biti realizovani. Osim toga, komercijalne primjene mogu zahtijevati korištenje kvantnih tačaka koje ne sadrže toksične i regulirane elemente kao što su živa, kadmij i olovo.
Xingyu Shen, diplomirani student na Guyot Sionnestu, rekao je: "Ekonomična i jednostavna metoda stvaranja infracrvene svjetlosti od kvantnih tačaka mogla bi biti vrlo korisna."
