Kızılötesi ışık üretmek için yeni bir kuantum nokta yöntemi, orta kızılötesi lazerlere ve uygun maliyetli sensörlere kapıyı açıyor.
Chicago Üniversitesi'nde fizik ve kimya profesörü olan Philippe Guyot Sionnest liderliğindeki bir araştırma ekibi yakın zamanda koloidal kuantum noktaları aracılığıyla kızılötesi ışık üretmenin bir yolunu keşfetti ve bu da orta kızılötesi aralığı yeniden tanımlama olasılığının kapısını açtı (3) İlk denemede elde ettikleri noktalar neredeyse mevcut geleneksel yöntemler kadar etkiliydi.
Kolloidal kuantum noktaları, genellikle kadmiyum selenit (CdSe), kadmiyum sülfür (CdS), kurşun sülfit (PbS), çinko oksit (ZnO) ve indiyum fosfitten (InP) oluşan, yaklaşık 5 ila 20 nm çapında yarı iletken nanokristaller/partiküllerdir. ), benzersiz optik ve elektronik özelliklere sahiptir. Elektron dalgaları, bir boşluktaki ses veya ışık dalgaları gibi bu parçacıkların içinde rezonansa girer ve nanokristallerin boyutuna göre spektral olarak ayarlanabilen kararlı durumlar yaratır.
Görünür ışık üreten kuantum noktaları, ışık yayan diyotlar (LED'ler) ve televizyonlar gibi ticari ürünlerde bulunmuştur. Ancak şu ana kadar orta kızılötesi ışık üretebilen kuantum noktaları isteniyorsa, bunu başarmak genellikle zordur.
Organik moleküller, görünür aralıktaki boyalar ve floresans için ideal olan hafif atomlardan yapılmış olsa da, moleküllerin orta kızılötesi bölgede de titreştiği ve elektroniği hızla bastırdığı orta kızılötesi aralıkta iyi performans göstermezler. heyecan.
İnorganik yarı iletken kuantum nokta malzemeleri, boya molekülleri gibi çözünür ve orta kızılötesi bantta ayarlanabilir elektronik uyarılmalara sahiptir, ancak çok daha düşük frekanslarda titreşen ağır atomlardan oluşurlar, bu da onları iyi kızılötesi ve çözeltide işlenebilir malzemeler haline getirir" diyor Guyot. Sionnest. Bize kızılötesi yarı iletken kuantum noktalarını inceleme fikrini veren de buydu; bu 25 yıl önce başladı."
Kızılötesi lazerler şu anda etkili olmasına rağmen emek yoğun ve pahalı olan moleküler epitaksi işlemiyle üretiliyor. Bu nedenle araştırmacılar, kuantum noktalarına dayalı kızılötesi lazerleri gerçekleştirmenin daha iyi bir yolunu yaratmak istediler.
Kuantum mekaniği ve kademeli etki
Ekip, lazer yapımında yaygın olarak kullanılan bir "kademeli" tekniği keşfetmeye karar verdi. Bunu yapmak için trilyonlarca küçük çekirdek/kabuk HgSe/CdSe nanokristalinden yapılmış siyah bir mürekkep yaptılar, bunu iletken bir elektrotla kapladılar, üstteki ikinci iletken elektrotu buharlaştırdılar ve ona enerji verdiler.
Yöntemleri, cihaz üzerinden bir elektrik akımı geçirmeyi ve cihaza milyonlarca elektron göndermeyi içeriyor. Başarılı olursa elektronlar, bir dizi şelaleden düşmeye benzer şekilde bir dizi farklı enerji seviyesinden geçecek. Bir elektron enerji seviyesini her düşürdüğünde, ışık biçiminde enerji yayma şansına sahip olur. Kuantum mekaniği sayesinde çalışıyor.
Guyot Sionnest şöyle açıklıyor: "Kademeli bir LED'de kuantum noktasının iki durumuyla ilgileniyoruz: hidrojen atomunun s durumuna benzeyen en düşük temel durum ve p durumuna benzeyen ilk uyarılmış durum " Bir elektron p durumundan s durumuna geçtiğinde orta kızılötesi ışık yayar. Noktalar arasındaki eğilim, elektronun bu s durumundan bir sonraki noktadaki p durumuna tünel açmasına olanak tanır ve bu böyle devam eder."
Ekibi şaşırtacak şekilde, koloidal kuantum noktaları yoluyla kızılötesi ışık üretmeye yönelik ilk denemelerinde ışık gördüler. Guyot Sionnest şunları söyledi: "Kızılötesi ışık üretmeye yönelik yeni yöntemimize yönelik ilk girişimler çok etkiliydi ve bir kez Kuantum noktaları artırıldığında performansları birkaç kat artacak. Bu ışık kaynakları daha sonra benzeri görülmemiş bir verimlilik ve düşük maliyet elde edebilecek."
Guyot Sionnest şöyle açıklıyor: "Bir kuantum noktasının s-durumundan bir sonraki kuantum noktasının p-durumuna tercih edilen tünelleme açık olmaktan çok uzaktır, zira bir noktanın s-durumundan diğer kuantum noktasına basitçe gitmek de mümkündür. Bir sonrakinin s-durumu. Başlangıçta bu tercihin ince ayarlanmış bir önyargıda rezonans gerektireceğini düşündük, ancak henüz bilinmeyen bir şekilde elektronlar aşağı doğru akmak yerine kademeli olarak düzenlenmiştir, bu nedenle önyargı önemli değil."
Bu çalışma, ekibin laboratuvarda floresan kızılötesi kuantum noktaları oluşturmaya yönelik önceki çalışmasının bir uygulaması olduğundan ve kuantum noktalarıyla ilk orta kızılötesi LED'leri yapma ve bunların ölçümünü yapma konusunda zaten deneyime sahip olduklarından, bu çalışmada büyük bir zorluk yoktur. çıkış ışığı.
"Ancak kimyasal ve fiziksel arayüzlerde alışılmadık bir beceri kombinasyonu gerektiriyor." Guyot Sionnest şöyle diyor: "Xinygyu Shen ve Ananth Kamath sayesinde. Çok az sayıda ekip kuantum noktaları oluşturmak için kimyasal becerileri, cihazları yapmak için üretim araçlarını ve bunları karakterize edecek orta kızılötesi enstrümantasyonu birleştirmeyi başardı."
Optik gaz sensörleri ve lazerler
Guyot Sionnest, kuantum noktaları yoluyla üretilen kızılötesi ışığın en belirgin ve olası uygulamasının optik gaz sensörleri olduğunu söylüyor: "Hızlı ve etkili kuantum nokta LED'lerin ve benzer şekilde hızlı ve etkili kuantum nokta dedektörlerinin seri üretimi, optik gaz algılamayı çok daha ucuz hale getirecek Mevcut yarı iletken teknolojisinden daha iyi hassasiyet sağlayacak ve aynı zamanda ısı kaynaklarına ve termoelektrik dedektörlere dayalı düşük maliyetli teknolojilerden daha iyi hassasiyet sağlayacak."
Lazerler bu çalışmanın olası bir uzantısıdır ancak gerçekleşip gerçekleşmeyeceği kesin değildir. Bunun ötesinde ticari uygulamalar, cıva, kadmiyum ve kurşun gibi toksik ve düzenlenmiş elementler içermeyen kuantum noktalarının kullanımını gerektirebilir.
Guyot Sionnest'te yüksek lisans öğrencisi olan Xingyu Shen şunları söyledi: "Kuantum noktalarından kızılötesi ışık yaratmanın uygun maliyetli ve kullanımı kolay bir yöntemi çok faydalı olabilir."
