Μια νέα μέθοδος κβαντικής κουκκίδας για τη δημιουργία υπέρυθρου φωτός ανοίγει την πόρτα σε λέιζερ μεσαίου υπέρυθρου και οικονομικά αποδοτικούς αισθητήρες.
Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Philippe Guyot Sionnest, καθηγητή φυσικής και χημείας στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, ανακάλυψε πρόσφατα έναν τρόπο παραγωγής υπέρυθρου φωτός μέσω κολλοειδών κβαντικών κουκκίδων που ανοίγει την πόρτα στη δυνατότητα επαναπροσδιορισμού του μεσαίου υπέρυθρου εύρους (3 έως 5 μm), καθώς οι κουκκίδες που πήραν στην πρώτη τους προσπάθεια ήταν σχεδόν εξίσου αποτελεσματικές με τις υπάρχουσες συμβατικές μεθόδους.
Οι κολλοειδείς κβαντικές κουκκίδες είναι ημιαγωγοί νανοκρύσταλλοι/σωματίδια με διάμετρο περίπου 5 έως 20 nm, συνήθως κατασκευασμένα από σεληνιούχο κάδμιο (CdSe), θειούχο κάδμιο (CdS), θειούχο μόλυβδο (PbS), οξείδιο ψευδαργύρου (ZnO) και φωσφίδιο ινδίου (In ), τα οποία έχουν μοναδικές οπτικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες. Τα κύματα ηλεκτρονίων αντηχούν μέσα σε αυτά τα σωματίδια, όπως τα κύματα ήχου ή φωτός σε μια κοιλότητα, και δημιουργούν σταθερές καταστάσεις που μπορούν να συντονιστούν φασματικά στο μέγεθος των νανοκρυστάλλων.
Οι κβαντικές κουκκίδες που παράγουν ορατό φως έχουν βρεθεί σε εμπορικά προϊόντα όπως οι δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) και οι τηλεοράσεις. Αλλά μέχρι στιγμής, αν κάποιος θέλει κβαντικές κουκκίδες που μπορούν να παράγουν μεσαίο υπέρυθρο φως, είναι συνήθως δύσκολο να επιτευχθεί.
Ενώ τα οργανικά μόρια αποτελούνται από άτομα φωτός, τα οποία είναι ιδανικά για βαφές και φθορισμό στο ορατό εύρος, δεν έχουν εξίσου καλή απόδοση στο εύρος του μεσαίου υπερύθρου, όπου τα μόρια δονούνται επίσης στην περιοχή του μέσου υπέρυθρου και καταστέλλουν γρήγορα τα ηλεκτρονικά διέγερση.
Τα ανόργανα ημιαγωγικά υλικά κβαντικής κουκκίδας είναι διαλυτά όπως τα μόρια χρωστικής και έχουν ρυθμιζόμενες ηλεκτρονικές διεγέρσεις στη ζώνη του μέσου υπέρυθρου, αλλά αποτελούνται από βαριά άτομα που δονούνται σε πολύ χαμηλότερες συχνότητες, γεγονός που τα καθιστά καλά υπέρυθρα και επεξεργάσιμα σε διάλυμα υλικά», λέει ο Guyot. Sionnest. Αυτό μας έδωσε την ιδέα να μελετήσουμε τις κβαντικές κουκκίδες υπέρυθρων ημιαγωγών - ξεκίνησε πριν από 25 χρόνια».
Τα υπέρυθρα λέιζερ κατασκευάζονται επί του παρόντος με μια διαδικασία μοριακής επιταξίας, η οποία, ενώ είναι αποτελεσματική, είναι εντατική και δαπανηρή. Ως εκ τούτου, οι ερευνητές ήθελαν να δημιουργήσουν έναν καλύτερο τρόπο υλοποίησης υπέρυθρων λέιζερ με βάση τις κβαντικές κουκκίδες.
Κβαντομηχανική και το φαινόμενο καταρράκτη
Η ομάδα αποφάσισε να εξερευνήσει μια τεχνική «καταρράκτη» που χρησιμοποιείται ευρέως για την κατασκευή λέιζερ. Για να γίνει αυτό, έφτιαξαν ένα μαύρο μελάνι κατασκευασμένο από τρισεκατομμύρια μικροσκοπικούς νανοκρυστάλλους HgSe/CdSe πυρήνα/κέλυφος, το επικάλυψαν με ένα αγώγιμο ηλεκτρόδιο, εξάτμισαν ένα δεύτερο αγώγιμο ηλεκτρόδιο από πάνω και του έδωσαν ενέργεια.
Η μέθοδός τους περιλαμβάνει τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσω της συσκευής, στέλνοντας εκατομμύρια ηλεκτρόνια στη συσκευή. Εάν είναι επιτυχής, τα ηλεκτρόνια θα περάσουν από μια σειρά διαφορετικών ενεργειακών επιπέδων, παρόμοια με την πτώση μιας σειράς καταρρακτών. Κάθε φορά που ένα ηλεκτρόνιο ρίχνει ένα επίπεδο ενέργειας, έχει την ευκαιρία να εκπέμψει ενέργεια με τη μορφή φωτός. Λειτουργεί χάρη στην κβαντική μηχανική.
Ο Guyot Sionnest εξηγεί, «Σε ένα καταρράκτη LED, αντιμετωπίζουμε δύο καταστάσεις της κβαντικής κουκκίδας: τη χαμηλότερη θεμελιώδη κατάσταση, η οποία είναι ανάλογη με την κατάσταση s του ατόμου του υδρογόνου και την πρώτη διεγερμένη κατάσταση, η οποία είναι ανάλογη με την κατάσταση p. ." Όταν ένα ηλεκτρόνιο χαλαρώνει από την κατάσταση p στην κατάσταση s, εκπέμπει μεσαίο υπέρυθρο φως. Η προκατάληψη μεταξύ των σημείων επιτρέπει στο ηλεκτρόνιο να περάσει από αυτήν την κατάσταση s στην κατάσταση p στο επόμενο σημείο και ούτω καθεξής."
Προς έκπληξη της ομάδας, είδαν φως στην πρώτη τους απόπειρα να δημιουργήσουν υπέρυθρο φως μέσω κολλοειδών κβαντικών κουκκίδων. Ο Guyot Sionnest είπε, «Οι πρώτες προσπάθειες στη νέα μέθοδο παραγωγής υπέρυθρου φωτός ήταν πολύ αποτελεσματικές, και όταν η αποτελεσματικότητα της παραγωγής φωτός εντός του Οι κβαντικές κουκκίδες αυξάνονται, η απόδοσή τους θα βελτιωθεί κατά αρκετές τάξεις μεγέθους. Αυτές οι πηγές φωτός θα μπορούν στη συνέχεια να επιτύχουν πρωτοφανή απόδοση και χαμηλό κόστος."
Ο Guyot Sionnest εξηγεί, «Η προτιμώμενη σήραγγα από την κατάσταση s μιας κβαντικής κουκκίδας στην κατάσταση p της επόμενης κβαντικής κουκκίδας δεν είναι καθόλου προφανής, καθώς είναι επίσης δυνατό να μεταβούμε απλώς από την κατάσταση s μιας κουκκίδας στην s-κατάσταση του επόμενου. Αρχικά πιστεύαμε ότι αυτή η προτίμηση θα απαιτούσε συντονισμό σε μια λεπτώς συντονισμένη μεροληψία, αλλά με κάποιον ακόμη άγνωστο τρόπο τα ηλεκτρόνια είναι διατεταγμένα σε καταρράκτη αντί να ρέουν προς τα κάτω, οπότε η προκατάληψη δεν έχει σημασία."
Δεν υπάρχουν σημαντικές προκλήσεις που εμπλέκονται σε αυτήν την εργασία, καθώς είναι μια εφαρμογή της προηγούμενης εργασίας της ομάδας για τη δημιουργία κβαντικών κουκκίδων φθορίζοντος υπέρυθρου στο εργαστήριο, και έχουν ήδη εμπειρία στην κατασκευή των πρώτων μεσαίων υπέρυθρων LED με κβαντικές κουκκίδες και τη μέτρησή τους. φως εξόδου.
«Αλλά απαιτεί έναν ασυνήθιστο συνδυασμό δεξιοτήτων στις χημικές και φυσικές διεπαφές». Ο Guyot Sionnest λέει, "χάρη στους Xinygyu Shen και Ananth Kamath. πολύ λίγες ομάδες μπόρεσαν να συνδυάσουν τις χημικές δεξιότητες για να δημιουργήσουν κβαντικές κουκκίδες, τα εργαλεία κατασκευής για την κατασκευή των συσκευών και τα όργανα μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας για να τις χαρακτηρίσουν."
Οπτικοί αισθητήρες αερίων και λέιζερ
Η πιο προφανής και πιθανή εφαρμογή του υπέρυθρου φωτός που παράγεται μέσω κβαντικών κουκκίδων είναι οι οπτικοί αισθητήρες αερίων, λέει ο Guyot Sionnest: «Η μαζική παραγωγή γρήγορων και αποτελεσματικών LED κβαντικών κουκκίδων και παρομοίως γρήγορων και αποτελεσματικών ανιχνευτών κβαντικής κουκκίδας θα κάνει την οπτική ανίχνευση αερίου πολύ φθηνότερη Θα παρέχει επίσης καλύτερη ευαισθησία από τις τεχνολογίες χαμηλού κόστους που βασίζονται σε πηγές θερμότητας και θερμοηλεκτρικούς ανιχνευτές».
Τα λέιζερ είναι μια πιθανή επέκταση αυτής της δουλειάς, αλλά δεν είναι σίγουρο ότι θα πραγματοποιηθούν. Πέρα από αυτό, οι εμπορικές εφαρμογές μπορεί να απαιτούν τη χρήση κβαντικών κουκκίδων που είναι απαλλαγμένες από τοξικά και ρυθμιζόμενα στοιχεία όπως ο υδράργυρος, το κάδμιο και ο μόλυβδος.
Ο Xingyu Shen, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Guyot Sionnest, είπε: «Μια οικονομικά αποδοτική και εύχρηστη μέθοδος δημιουργίας υπέρυθρου φωτός από κβαντικές κουκκίδες θα μπορούσε να είναι πολύ χρήσιμη».
