Un nou mètode de punt quàntic per generar llum infraroja obre la porta als làsers d'infraroig mitjà i sensors rendibles.
Un equip d'investigadors liderat per Philippe Guyot Sionnest, professor de física i química de la Universitat de Chicago, ha descobert recentment una manera de generar llum infraroja a través de punts quàntics col·loïdals que obre la porta a la possibilitat de redefinir el rang d'infraroig mitjà (3). a 5 µm), ja que els punts que van obtenir en el seu primer intent eren gairebé tan efectius com els mètodes convencionals existents.
Els punts quàntics col·loïdals són nanocristalls/partícules semiconductors amb un diàmetre d'entre 5 i 20 nm, generalment fets de selenur de cadmi (CdSe), sulfur de cadmi (CdS), sulfur de plom (PbS), òxid de zinc (ZnO) i fosfur d'indi (InP). ), que tenen propietats òptiques i electròniques úniques. Les ones d'electrons ressonen dins d'aquestes partícules, com les ones de so o llum en una cavitat, i crea estats estacionaris que es poden ajustar espectralment a la mida dels nanocristalls.
S'han trobat punts quàntics que produeixen llum visible en productes comercials com ara díodes emissors de llum (LED) i televisors. Però fins ara, si un vol punts quàntics que puguin produir llum d'infrarojos mitjans, normalment és difícil d'aconseguir.
Tot i que les molècules orgàniques estan fetes d'àtoms lleugers, ideals per a colorants i fluorescència en el rang visible, no funcionen tan bé en el rang d'infraroig mitjà, on les molècules vibren també a la regió d'infraroig mitjà i suprimeixen ràpidament l'electrònica. excitació.
Els materials de punts quàntics de semiconductors inorgànics són solubles com les molècules de colorant i tenen excitacions electròniques ajustables a la banda d'infrarojos mitjans, però estan composts per àtoms pesats que vibren a freqüències molt més baixes, cosa que els converteix en bons materials infrarojos i processables en solució", diu Guyot. Sionnest. Això és el que ens va donar la idea d'estudiar els punts quàntics de semiconductors infrarojos: va començar fa 25 anys".
Actualment, els làsers d'infrarojos es fabriquen mitjançant un procés d'epitaxia molecular, que, tot i que és efectiu, requereix mà d'obra i és costós. Per tant, els investigadors volien crear una millor manera de realitzar làsers infrarojos basats en punts quàntics.
Mecànica quàntica i efecte cascada
L'equip va decidir explorar una tècnica "en cascada" que s'utilitza àmpliament per fer làsers. Per fer-ho, van fer una tinta negra feta a partir de bilions de nanocristalls minúsculs de HgSe/CdSe de nucli / closca, la van recobrir amb un elèctrode conductor, van evaporar un segon elèctrode conductor a la part superior i l'han energitzat.
El seu mètode consisteix a fer passar un corrent elèctric a través del dispositiu, enviant milions d'electrons al dispositiu. Si tenen èxit, els electrons passaran per una sèrie de nivells d'energia diferents, semblants a caure per una sèrie de cascades. Cada vegada que un electró baixa un nivell d'energia, té l'oportunitat d'emetre energia en forma de llum. Funciona gràcies a la mecànica quàntica.
Guyot Sionnest explica: "En un LED en cascada, tractem dos estats del punt quàntic: l'estat fonamental més baix, que és anàleg a l'estat s de l'àtom d'hidrogen, i el primer estat excitat, que és anàleg a l'estat p. ." Quan un electró es relaxa de l'estat p a l'estat s, emet llum d'infrarojos mitjans. El biaix entre els punts permet que l'electró passi des d'aquest estat a l'estat p en el punt següent, i així successivament".
Per a sorpresa de l'equip, van veure la llum en el seu primer intent de generar llum infraroja a través de punts quàntics col·loïdals. Guyot Sionnest va dir: "Els primers intents del nostre nou mètode de generació de llum infraroja van ser molt efectius, i una vegada que l'eficiència de generar llum dins del augmenti els punts quàntics, el seu rendiment millorarà en diversos ordres de magnitud. Aquestes fonts de llum podran aconseguir una eficiència sense precedents i un baix cost".
Guyot Sionnest explica: "El túnel preferit des de l'estat s d'un punt quàntic fins a l'estat p del següent punt quàntic està lluny de ser obvi, ja que també és possible passar simplement de l'estat s d'un punt al Estat s del següent. Al principi vam pensar que aquesta preferència requeriria una ressonància amb un biaix ben ajustat, però d'alguna manera encara desconeguda els electrons estan disposats en cascada en lloc de fluir cap avall, de manera que el biaix no importa".
No hi ha grans reptes implicats en aquest treball, ja que és una aplicació del treball anterior de l'equip sobre la fabricació de punts quàntics d'infrarojos fluorescents al laboratori, i ja tenen experiència en la fabricació dels primers LED d'infraroig mitjà amb punts quàntics i en mesurar-ne. llum de sortida.
"Però requereix una combinació inusual d'habilitats a les interfícies químiques i físiques". Guyot Sionnest diu: "gràcies a Xinygyu Shen i Ananth Kamath. molt pocs equips han estat capaços de combinar les habilitats químiques per fer punts quàntics, les eines de fabricació per fabricar els dispositius i la instrumentació d'infraroig mitjà per caracteritzar-los".
Sensors òptics de gas i làsers
L'aplicació més òbvia i probable de la llum infraroja generada a través de punts quàntics són els sensors òptics de gas, diu Guyot Sionnest: "La producció massiva de LED de punts quàntics ràpids i eficients, i detectors de punts quàntics de manera similar, faran que la detecció òptica de gas sigui molt més barata. que la tecnologia actual de semiconductors. També proporcionarà una millor sensibilitat que les tecnologies de baix cost basades en fonts de calor i detectors termoelèctrics".
Els làsers són una possible extensió d'aquest treball, però no és segur que es facin realitat. Més enllà d'això, les aplicacions comercials poden requerir l'ús de punts quàntics lliures d'elements tòxics i regulats com el mercuri, el cadmi i el plom.
Xingyu Shen, un estudiant graduat de Guyot Sionnest, va dir: "Un mètode rendible i fàcil d'utilitzar per crear llum infraroja a partir de punts quàntics podria ser molt útil".
