Eine neuartige Quantenpunktmethode zur Erzeugung von Infrarotlicht öffnet die Tür zu Lasern im mittleren Infrarotbereich und kostengünstigen Sensoren.
Ein Forscherteam unter der Leitung von Philippe Guyot Sionnest, Professor für Physik und Chemie an der University of Chicago, hat kürzlich eine Möglichkeit entdeckt, Infrarotlicht durch kolloidale Quantenpunkte zu erzeugen, was die Möglichkeit einer Neudefinition des mittleren Infrarotbereichs eröffnet (3 bis 5 µm), da die Punkte, die sie beim ersten Versuch erhielten, fast so effektiv waren wie bestehende herkömmliche Methoden.
Kolloidale Quantenpunkte sind Halbleiter-Nanokristalle/-Partikel mit einem Durchmesser von etwa 5 bis 20 nm, die üblicherweise aus Cadmiumselenid (CdSe), Cadmiumsulfid (CdS), Bleisulfid (PbS), Zinkoxid (ZnO) und Indiumphosphid (InP) bestehen ), die über einzigartige optische und elektronische Eigenschaften verfügen. Elektronenwellen schwingen in diesen Partikeln mit, wie Schall- oder Lichtwellen in einem Hohlraum, und es entstehen stationäre Zustände, die spektral auf die Größe der Nanokristalle abgestimmt werden können.
Quantenpunkte, die sichtbares Licht erzeugen, wurden in kommerziellen Produkten wie Leuchtdioden (LEDs) und Fernsehgeräten gefunden. Wenn man jedoch Quantenpunkte will, die Licht im mittleren Infrarotbereich erzeugen können, ist dies bislang meist schwierig zu erreichen.
Während organische Moleküle aus leichten Atomen bestehen, die ideal für Farbstoffe und Fluoreszenz im sichtbaren Bereich sind, funktionieren sie im mittleren Infrarotbereich nicht so gut, wo die Moleküle auch im mittleren Infrarotbereich schwingen und elektronische Signale schnell unterdrücken Erregung.
„Anorganische Halbleiter-Quantenpunktmaterialien sind wie Farbstoffmoleküle löslich und verfügen über abstimmbare elektronische Anregungen im mittleren Infrarotband. Sie bestehen jedoch aus schweren Atomen, die bei viel niedrigeren Frequenzen schwingen, was sie zu guten Materialien macht, die im Infrarotbereich und in Lösung verarbeitet werden können“, sagt Guyot Sionnest. Das brachte uns auf die Idee, Infrarot-Halbleiter-Quantenpunkte zu untersuchen – es begann vor 25 Jahren.“
Infrarotlaser werden derzeit durch einen molekularen Epitaxieprozess hergestellt, der zwar effektiv, aber arbeitsintensiv und teuer ist. Daher wollten die Forscher eine bessere Möglichkeit schaffen, Infrarotlaser auf Basis von Quantenpunkten zu realisieren.
Quantenmechanik und der Kaskadeneffekt
Das Team beschloss, eine „Kaskaden“-Technik zu erforschen, die häufig zur Herstellung von Lasern eingesetzt wird. Dazu stellten sie eine schwarze Tinte aus Billionen winziger Kern-/Schale-HgSe/CdSe-Nanokristalle her, überzogen sie mit einer leitenden Elektrode, dampften darauf eine zweite leitende Elektrode auf und versorgten sie mit Energie.
Ihre Methode besteht darin, einen elektrischen Strom durch das Gerät zu leiten und so Millionen von Elektronen an das Gerät zu senden. Bei Erfolg durchlaufen die Elektronen eine Reihe unterschiedlicher Energieniveaus, ähnlich wie wenn sie mehrere Wasserfälle hinabstürzen. Jedes Mal, wenn ein Elektron ein Energieniveau senkt, erhält es die Chance, Energie in Form von Licht auszusenden. Es funktioniert dank der Quantenmechanik.
Guyot Sionnest erklärt: „In einer Kaskaden-LED beschäftigen wir uns mit zwei Zuständen des Quantenpunkts: dem niedrigsten Grundzustand, der analog zum s-Zustand des Wasserstoffatoms ist, und dem ersten angeregten Zustand, der analog zum p-Zustand ist.“ ." Wenn ein Elektron vom p-Zustand in den s-Zustand entspannt, emittiert es Licht im mittleren Infrarotbereich. Die Vorspannung zwischen den Punkten ermöglicht es dem Elektron, von diesem s-Zustand in den p-Zustand am nächsten Punkt zu tunneln, und so weiter.“
Zur Überraschung des Teams sahen sie Licht bei ihrem ersten Versuch, Infrarotlicht durch kolloidale Quantenpunkte zu erzeugen. Guyot Sionnest sagte: „Die ersten Versuche mit unserer neuen Methode zur Erzeugung von Infrarotlicht waren sehr effektiv, und sobald die Effizienz der Lichterzeugung innerhalb der Quantenpunkten erhöht wird, wird sich ihre Leistung um mehrere Größenordnungen verbessern. Diese Lichtquellen werden dann in der Lage sein, eine beispiellose Effizienz und niedrige Kosten zu erreichen.“
Guyot Sionnest erklärt: „Das bevorzugte Tunneln vom s-Zustand eines Quantenpunkts zum p-Zustand des nächsten Quantenpunkts ist alles andere als offensichtlich, da es auch möglich ist, einfach vom s-Zustand eines Punkts zum nächsten zu gelangen.“ s-Zustand des nächsten. Wir dachten zunächst, dass diese Präferenz eine Resonanz mit einer fein abgestimmten Vorspannung erfordern würde, aber auf eine noch unbekannte Weise sind die Elektronen in einer Kaskade angeordnet, anstatt nach unten zu fließen, sodass die Vorspannung keine Rolle spielt.
Mit dieser Arbeit sind keine größeren Herausforderungen verbunden, da es sich um eine Anwendung der früheren Arbeiten des Teams zur Herstellung fluoreszierender Infrarot-Quantenpunkte im Labor handelt und sie bereits Erfahrung mit der Herstellung der ersten LEDs im mittleren Infrarotbereich mit Quantenpunkten und deren Messung haben Ausgangslicht.
„Aber es erfordert eine ungewöhnliche Kombination von Fähigkeiten an den chemischen und physikalischen Grenzflächen.“ Guyot Sionnest sagt: „Dank Xinygyu Shen und Ananth Kamath konnten nur sehr wenige Teams die chemischen Fähigkeiten zur Herstellung von Quantenpunkten, die Fertigungswerkzeuge zur Herstellung der Geräte und die Instrumente im mittleren Infrarotbereich zu ihrer Charakterisierung kombinieren.“
Optische Gassensoren und Laser
Die offensichtlichste und wahrscheinlichste Anwendung von Infrarotlicht, das durch Quantenpunkte erzeugt wird, sind optische Gassensoren, sagt Guyot Sionnest: „Die Massenproduktion schneller und effizienter Quantenpunkt-LEDs und ähnlich schneller und effizienter Quantenpunktdetektoren wird die optische Gassensorik viel billiger machen.“ als die aktuelle Halbleitertechnologie. Es wird auch eine bessere Empfindlichkeit bieten als kostengünstige Technologien, die auf Wärmequellen und thermoelektrischen Detektoren basieren.“
Laser sind eine mögliche Erweiterung dieser Arbeit, es ist jedoch nicht sicher, ob sie realisiert werden. Darüber hinaus erfordern kommerzielle Anwendungen möglicherweise die Verwendung von Quantenpunkten, die frei von giftigen und regulierten Elementen wie Quecksilber, Cadmium und Blei sind.
Xingyu Shen, ein Doktorand am Guyot Sionnest, sagte: „Eine kostengünstige und einfach anzuwendende Methode zur Erzeugung von Infrarotlicht aus Quantenpunkten könnte sehr nützlich sein.“
