Нова метода квантних тачака за генерисање инфрацрвене светлости отвара врата за средње инфрацрвене ласере и исплативе сензоре.
Тим истраживача на челу са Пхилиппеом Гуиот Сионнестом, професором физике и хемије на Универзитету у Чикагу, недавно је открио начин да се генерише инфрацрвено светло кроз колоидне квантне тачке које отварају врата могућности редефинисања средњег инфрацрвеног опсега (3 до 5 µм), јер су тачке које су добили у свом првом покушају биле скоро једнако ефикасне као и постојеће конвенционалне методе.
Колоидне квантне тачке су полупроводнички нанокристали/честице пречника од око 5 до 20 нм, обично направљени од кадмијум селенида (ЦдСе), кадмијум сулфида (ЦдС), олово сулфида (ПбС), цинк оксида (ЗнО) и индијум пхос ), који имају јединствена оптичка и електронска својства. Електронски таласи резонују унутар ових честица, попут звучних или светлосних таласа у шупљини, и стварају стабилна стања која се спектрално могу подесити према величини нанокристала.
Квантне тачке које производе видљиву светлост пронађене су у комерцијалним производима као што су диоде које емитују светлост (ЛЕД) и телевизори. Али до сада, ако неко жели квантне тачке које могу произвести средњу инфрацрвену светлост, обично је тешко постићи.
Док су органски молекули направљени од лаких атома, који су идеални за боје и флуоресценцију у видљивом опсегу, они не раде тако добро у средњем инфрацрвеном опсегу, где молекули вибрирају и у средњем инфрацрвеном региону и брзо потискују електронске узбуђење.
Неоргански полупроводнички материјали квантних тачака су растворљиви попут молекула боје и имају подесиву електронску побуду у средњем инфрацрвеном опсегу, али се састоје од тешких атома који вибрирају на много нижим фреквенцијама, што их чини добрим инфрацрвеним материјалима и материјалима који се обрађују у растворима", каже Гуиот. Сионнест. То нам је дало идеју да проучавамо инфрацрвене полупроводничке квантне тачке – почело је пре 25 година."
Инфрацрвени ласери се тренутно производе поступком молекуларне епитаксије, који је, иако ефикасан, радно интензиван и скуп. Стога су истраживачи желели да створе бољи начин за реализацију инфрацрвених ласера заснованих на квантним тачкама.
Квантна механика и каскадни ефекат
Тим је одлучио да истражи "каскадну" технику која се широко користи за прављење ласера. Да би то урадили, направили су црно мастило направљено од трилиона сићушних нанокристала језгра/љуске ХгСе/ЦдСе, обложили га проводљивом електродом, испарили другу проводну електроду на врху и дали јој енергију.
Њихов метод укључује покретање електричне струје кроз уређај, шаљући милионе електрона у уређај. Ако успе, електрони ће проћи кроз низ различитих енергетских нивоа, слично као да падају низ низ водопада. Сваки пут када електрон спусти ниво енергије, добија прилику да емитује енергију у облику светлости. Ради захваљујући квантној механици.
Гуиот Сионнест објашњава: „У каскади ЛЕД, имамо посла са два стања квантне тачке: најниже основно стање, које је аналогно с стању атома водоника, и прво побуђено стање, које је аналогно п стању ." Када се електрон опусти из п-стања у с-стање, он емитује средњу инфрацрвену светлост. Пристрасност између тачака омогућава електрону да тунелира из овог с стања у стање п у следећој тачки, и тако даље."
На изненађење тима, видели су светло на свој први покушај генерисања инфрацрвене светлости кроз колоидне квантне тачке. Гујот Сионнест је рекао: „Први покушаји нашег новог метода генерисања инфрацрвене светлости били су веома ефикасни, а једном је ефикасност генерисања светлости унутар када се квантне тачке повећају, њихове перформансе ће се побољшати за неколико редова величине. Ови извори светлости ће тада моћи да постигну невиђену ефикасност и ниску цену."
Гуиот Сионнест објашњава: „Преферирано тунелирање из с-стања једне квантне тачке у п-стање следеће квантне тачке је далеко од очигледног, јер је такође могуће једноставно прећи из с-стања једне тачке у с-стање следећег. У почетку смо мислили да ће ова преференција захтевати резонанцију при фино подешеној пристрасности, али на неки још непознат начин електрони су распоређени у каскади, а не да теку наниже, тако да пристрасност није битна."
У овом послу нема већих изазова, јер је то примена претходног рада тима на прављењу флуоресцентних инфрацрвених квантних тачака у лабораторији, а већ имају искуства у прављењу првих средње инфрацрвених ЛЕД диода са квантним тачкама и мерењу њихових излазно светло.
"Али то захтева необичну комбинацију вештина на хемијским и физичким интерфејсима." Гуиот Сионнест каже, „захваљујући Ксинигиу Схену и Анантху Каматху. врло мали број тимова је био у стању да комбинује хемијске вештине за прављење квантних тачака, алате за производњу за прављење уређаја и средње инфрацрвене инструменте да их карактерише.“
Оптички гасни сензори и ласери
Најочигледнија и највероватнија примена инфрацрвене светлости која се генерише кроз квантне тачке су оптички сензори гаса, каже Гуиот Сионнест: „Масовна производња брзих и ефикасних ЛЕД диода квантних тачака, као и сличних брзих и ефикасних детектора квантних тачака, учиниће оптичко детекцију гаса много јефтинијим него садашња полупроводничка технологија. Такође ће обезбедити бољу осетљивост од јефтиних технологија заснованих на изворима топлоте и термоелектричним детекторима."
Ласери су могући наставак овог посла, али није извесно да ће бити реализовани. Осим тога, комерцијалне примене могу захтевати употребу квантних тачака које не садрже токсичне и регулисане елементе као што су жива, кадмијум и олово.
Ксингиу Схен, дипломирани студент на Гуиот Сионнесту, рекао је: „Економична и једноставна метода стварања инфрацрвене свјетлости од квантних тачака могла би бити веома корисна.
