Un nuovo metodo a punti quantici per generare luce infrarossa apre le porte ai laser nel medio infrarosso e ai sensori economici.
Un team di ricercatori guidati da Philippe Guyot Sionnest, professore di fisica e chimica all'Università di Chicago, ha recentemente scoperto un modo per generare luce infrarossa attraverso punti quantici colloidali che apre le porte alla possibilità di ridefinire la gamma del medio infrarosso (3 a 5 µm), poiché i punti ottenuti al primo tentativo erano quasi altrettanto efficaci dei metodi convenzionali esistenti.
I punti quantici colloidali sono nanocristalli/particelle semiconduttori con un diametro compreso tra circa 5 e 20 nm, solitamente costituiti da seleniuro di cadmio (CdSe), solfuro di cadmio (CdS), solfuro di piombo (PbS), ossido di zinco (ZnO) e fosfuro di indio (InP ), che hanno proprietà ottiche ed elettroniche uniche. Le onde degli elettroni risuonano all'interno di queste particelle, come onde sonore o luminose in una cavità, e creano stati stazionari che possono essere sintonizzati spettralmente in base alle dimensioni dei nanocristalli.
Punti quantici che producono luce visibile sono stati trovati in prodotti commerciali come diodi emettitori di luce (LED) e televisori. Ma finora, se si vogliono punti quantici in grado di produrre luce nel medio infrarosso, di solito è difficile da ottenere.
Sebbene le molecole organiche siano costituite da atomi leggeri, ideali per coloranti e fluorescenza nella gamma del visibile, non funzionano altrettanto bene nella gamma del medio infrarosso, dove le molecole vibrano anche nella regione del medio infrarosso e sopprimono rapidamente le componenti elettroniche. eccitazione.
I materiali semiconduttori inorganici a punti quantici sono solubili come le molecole di colorante e hanno eccitazioni elettroniche sintonizzabili nella banda del medio infrarosso, ma sono composti da atomi pesanti che vibrano a frequenze molto più basse, il che li rende buoni materiali nell'infrarosso e lavorabili in soluzione", afferma Guyot. Sionnest. Questo è ciò che ci ha dato l'idea di studiare i punti quantici dei semiconduttori a infrarossi: tutto è iniziato 25 anni fa."
I laser a infrarossi sono attualmente fabbricati mediante un processo di epitassia molecolare che, sebbene efficace, è laborioso e costoso. Pertanto, i ricercatori volevano creare un modo migliore per realizzare laser a infrarossi basati su punti quantici.
Meccanica quantistica ed effetto cascata
Il team ha deciso di esplorare una tecnica “a cascata” ampiamente utilizzata per realizzare i laser. Per fare ciò, hanno realizzato un inchiostro nero composto da trilioni di minuscoli nanocristalli di HgSe/CdSe con nucleo/guscio, lo hanno rivestito con un elettrodo conduttivo, hanno fatto evaporare un secondo elettrodo conduttivo sulla parte superiore e lo hanno energizzato.
Il loro metodo prevede il passaggio di corrente elettrica attraverso il dispositivo, inviando milioni di elettroni al dispositivo. In caso di successo, gli elettroni passeranno attraverso una serie di diversi livelli energetici, simili a quando cadono da una serie di cascate. Ogni volta che un elettrone scende di un livello energetico, ha la possibilità di emettere energia sotto forma di luce. Funziona grazie alla meccanica quantistica.
Guyot Sionnest spiega: "In un LED a cascata, abbiamo a che fare con due stati del punto quantico: lo stato fondamentale più basso, che è analogo allo stato s dell'atomo di idrogeno, e il primo stato eccitato, che è analogo allo stato p ." Quando un elettrone si rilassa dallo stato p allo stato s, emette luce nel medio infrarosso. La polarizzazione tra i punti consente all'elettrone di passare da questo stato s allo stato p nel punto successivo, e così via."
Con sorpresa del team, hanno visto la luce il loro primo tentativo di generare luce infrarossa attraverso punti quantici colloidali. Guyot Sionnest ha detto: "I primi tentativi con il nostro nuovo metodo di generare luce infrarossa sono stati molto efficaci, e una volta che l'efficienza di generare luce all'interno del Quando si aumentano i punti quantici, le loro prestazioni miglioreranno di diversi ordini di grandezza. Queste sorgenti luminose saranno quindi in grado di raggiungere un'efficienza senza precedenti e un basso costo."
Guyot Sionnest spiega: "Il tunneling preferito dallo stato s di un punto quantico allo stato p del punto quantico successivo è tutt'altro che ovvio, poiché è anche possibile passare semplicemente dallo stato s di un punto allo stato s del successivo. Inizialmente pensavamo che questa preferenza avrebbe richiesto una risonanza con un bias finemente sintonizzato, ma in qualche modo ancora sconosciuto gli elettroni sono disposti in una cascata anziché fluire verso il basso, quindi il bias non ha importanza."
Non ci sono grandi sfide coinvolte in questo lavoro, poiché si tratta di un'applicazione del lavoro precedente del team sulla creazione di punti quantici a infrarossi fluorescenti in laboratorio, e hanno già esperienza nella realizzazione dei primi LED nel medio infrarosso con punti quantici e nella misurazione della loro luce in uscita.
"Ma richiede un'insolita combinazione di competenze nelle interfacce chimiche e fisiche." Guyot Sionnest afferma: "grazie a Xinygyu Shen e Ananth Kamath, pochissimi team sono stati in grado di combinare le competenze chimiche per creare punti quantici, gli strumenti di fabbricazione per realizzare i dispositivi e la strumentazione nel medio infrarosso per caratterizzarli".
Sensori di gas ottici e laser
L'applicazione più ovvia e probabile della luce infrarossa generata attraverso i punti quantici sono i sensori ottici di gas, afferma Guyot Sionnest: "La produzione di massa di LED a punti quantici veloci ed efficienti e di rilevatori di punti quantici altrettanto veloci ed efficienti renderà il rilevamento ottico del gas molto più economico. rispetto all'attuale tecnologia dei semiconduttori. Fornirà inoltre una sensibilità migliore rispetto alle tecnologie a basso costo basate su fonti di calore e rilevatori termoelettrici."
I laser sono una possibile estensione di questo lavoro, ma non è sicuro che vengano realizzati. Oltre a ciò, le applicazioni commerciali potrebbero richiedere l’uso di punti quantici privi di elementi tossici e regolamentati come mercurio, cadmio e piombo.
Xingyu Shen, uno studente laureato della Guyot Sionnest, ha dichiarato: "Un metodo economico e facile da usare per creare luce infrarossa da punti quantici potrebbe essere molto utile".
