Kaedah titik kuantum baru untuk menjana cahaya inframerah membuka pintu kepada laser inframerah pertengahan dan penderia kos efektif.
Satu pasukan penyelidik yang diketuai oleh Philippe Guyot Sionnest, seorang profesor fizik dan kimia di Universiti Chicago, baru-baru ini menemui cara untuk menjana cahaya inframerah melalui titik kuantum koloid yang membuka pintu kepada kemungkinan mentakrifkan semula julat inframerah pertengahan (3 hingga 5 µm), kerana titik yang mereka perolehi pada percubaan pertama mereka hampir sama berkesan dengan kaedah konvensional sedia ada.
Titik kuantum koloid ialah nanokristal/zarah semikonduktor dengan diameter kira-kira 5 hingga 20 nm, biasanya diperbuat daripada kadmium selenida (CdSe), kadmium sulfida (CdS), plumbum sulfida (PbS), zink oksida (ZnO), dan indium fosfida (InP). ), yang mempunyai sifat optik dan elektronik yang unik. Gelombang elektron bergema di dalam zarah ini, seperti gelombang bunyi atau cahaya dalam rongga, dan ia mewujudkan keadaan mantap yang boleh ditala secara spektrum mengikut saiz nanohablur.
Titik kuantum yang menghasilkan cahaya nampak telah ditemui dalam produk komersial seperti diod pemancar cahaya (LED) dan televisyen. Tetapi setakat ini, jika seseorang mahukan titik kuantum yang boleh menghasilkan cahaya inframerah pertengahan, ia biasanya sukar dicapai.
Walaupun molekul organik diperbuat daripada atom ringan, yang sesuai untuk pewarna dan pendarfluor dalam julat yang boleh dilihat, ia tidak berfungsi dengan baik dalam julat inframerah pertengahan, di mana molekul juga bergetar di kawasan inframerah pertengahan dan dengan cepat menekan elektronik. keterujaan.
Bahan titik kuantum semikonduktor bukan organik boleh larut seperti molekul pewarna dan mempunyai pengujaan elektronik yang boleh dilaras dalam jalur inframerah pertengahan, tetapi ia terdiri daripada atom berat yang bergetar pada frekuensi yang jauh lebih rendah, yang menjadikannya bahan inframerah yang baik dan boleh diproses penyelesaian, "kata Guyot Sionnest. Itulah yang memberi kami idea untuk mengkaji titik kuantum semikonduktor inframerah - ia bermula 25 tahun lalu."
Laser inframerah kini dibuat oleh proses epitaksi molekul, yang, walaupun berkesan, adalah intensif buruh dan mahal. Oleh itu, para penyelidik ingin mencipta cara yang lebih baik untuk merealisasikan laser inframerah berdasarkan titik kuantum.
Mekanik kuantum dan kesan lata
Pasukan memutuskan untuk meneroka teknik "lata" yang digunakan secara meluas untuk membuat laser. Untuk melakukan ini, mereka membuat dakwat hitam yang diperbuat daripada bertrillion teras/cangkang kecil nanohablur HgSe/CdSe, menyalutnya dengan elektrod konduktif, menyejat elektrod konduktif kedua di atas dan memberi tenaga.
Kaedah mereka melibatkan menjalankan arus elektrik melalui peranti, menghantar berjuta-juta elektron ke peranti. Jika berjaya, elektron akan melalui satu siri tahap tenaga yang berbeza, sama seperti jatuh ke bawah siri air terjun. Setiap kali elektron menurunkan tahap tenaga, ia mendapat peluang untuk memancarkan tenaga dalam bentuk cahaya. Ia berfungsi terima kasih kepada mekanik kuantum.
Guyot Sionnest menerangkan, "Dalam LED lata, kita berurusan dengan dua keadaan titik kuantum: keadaan dasar terendah, yang serupa dengan keadaan atom hidrogen, dan keadaan teruja pertama, yang serupa dengan keadaan p. ." Apabila elektron mengendur dari keadaan-p ke keadaan-s, ia memancarkan cahaya inframerah pertengahan. Pincang antara titik membolehkan elektron terowong dari keadaan ini ke keadaan p pada titik seterusnya, dan seterusnya."
Yang mengejutkan pasukan itu, mereka melihat cahaya pada percubaan pertama mereka untuk menjana cahaya inframerah melalui titik kuantum koloid. Guyot Sionnest berkata, "Percubaan pertama pada kaedah baharu kami menjana cahaya inframerah adalah sangat berkesan, dan sekali kecekapan menjana cahaya dalam titik kuantum ditingkatkan, prestasinya akan bertambah baik dengan beberapa urutan magnitud. Sumber cahaya ini kemudiannya akan dapat mencapai kecekapan yang tidak pernah berlaku sebelum ini dan kos rendah."
Guyot Sionnest menjelaskan, "Terowong pilihan dari keadaan-s satu titik kuantum ke keadaan-p titik kuantum seterusnya adalah jauh dari jelas, kerana ia juga mungkin untuk pergi dari keadaan-s satu titik ke titik. s-keadaan seterusnya. Kami pada mulanya berpendapat bahawa keutamaan ini memerlukan resonans pada pincang yang ditala halus, tetapi dalam beberapa cara yang belum diketahui, elektron disusun dalam lata dan bukannya mengalir ke bawah, jadi pincang tidak penting."
Tiada cabaran utama yang terlibat dalam kerja ini, kerana ia merupakan aplikasi kerja pasukan sebelum ini untuk membuat titik kuantum inframerah pendarfluor di makmal, dan mereka sudah mempunyai pengalaman membuat LED inframerah pertengahan pertama dengan titik kuantum, dan mengukurnya. cahaya keluaran.
"Tetapi ia memerlukan gabungan kemahiran yang luar biasa pada antara muka kimia dan fizikal." Guyot Sionnest berkata, "terima kasih kepada Xinygyu Shen dan Ananth Kamath. sangat sedikit pasukan yang dapat menggabungkan kemahiran kimia untuk membuat titik kuantum, alat fabrikasi untuk membuat peranti, dan instrumentasi inframerah pertengahan untuk mencirikannya."
Penderia gas optik dan laser
Aplikasi cahaya inframerah yang paling jelas dan berkemungkinan yang dijana melalui titik kuantum ialah penderia gas optik, kata Guyot Sionnest: "Pengeluaran besar-besaran LED titik kuantum yang pantas dan cekap, serta pengesan titik kuantum yang pantas dan cekap, akan menjadikan pengesanan gas optik jauh lebih murah. daripada teknologi semikonduktor semasa. Ia juga akan memberikan sensitiviti yang lebih baik daripada teknologi kos rendah berdasarkan sumber haba dan pengesan termoelektrik."
Laser adalah lanjutan yang mungkin untuk kerja ini, tetapi tidak pasti bahawa ia akan direalisasikan. Selain itu, aplikasi komersial mungkin memerlukan penggunaan titik kuantum yang bebas daripada unsur toksik dan terkawal seperti merkuri, kadmium dan plumbum.
Xingyu Shen, pelajar siswazah di Guyot Sionnest, berkata, "Kaedah kos efektif dan mudah digunakan untuk mencipta cahaya inframerah daripada titik kuantum boleh menjadi sangat berguna."
