یک روش جدید نقطه کوانتومی برای تولید نور مادون قرمز، در را به روی لیزرهای مادون قرمز متوسط و حسگرهای مقرون به صرفه باز می کند.
تیمی از محققان به سرپرستی فیلیپ گایوت سیونست، استاد فیزیک و شیمی در دانشگاه شیکاگو، اخیرا راهی برای تولید نور مادون قرمز از طریق نقاط کوانتومی کلوئیدی کشف کردند که دری را به روی امکان تعریف مجدد محدوده مادون قرمز میانی باز می کند (3). تا 5 میکرومتر)، زیرا نقاطی که در اولین تلاش خود به دست آوردند تقریباً به اندازه روشهای مرسوم موجود مؤثر بودند.
نقاط کوانتومی کلوئیدی، نانوبلورها/ذرات نیمه هادی با قطر حدود 5 تا 20 نانومتر هستند که معمولاً از سلنید کادمیوم (CdSe)، سولفید کادمیوم (CdS)، سولفید سرب (PbS)، اکسید روی (ZnO) و فسفید ایندیم (InP) ساخته میشوند. ) که دارای خواص نوری و الکترونیکی منحصر به فردی هستند. امواج الکترونی در داخل این ذرات طنین انداز می شوند، مانند امواج صوت یا نور در یک حفره، و حالت های ثابتی را ایجاد می کنند که می توانند به صورت طیفی با اندازه نانوبلورها تنظیم شوند.
نقاط کوانتومی که نور مرئی تولید می کنند در محصولات تجاری مانند دیودهای ساطع نور (LED) و تلویزیون یافت شده اند. اما تا کنون، اگر کسی نقاط کوانتومی را بخواهد که بتواند نور مادون قرمز میانی تولید کند، معمولاً دستیابی به آن دشوار است.
در حالی که مولکولهای آلی از اتمهای سبک ساخته شدهاند که برای رنگها و فلورسانس در محدوده مرئی ایدهآل هستند، در محدوده مادون قرمز متوسط کارایی خوبی ندارند، جایی که مولکولها همچنین در ناحیه فروسرخ میانی ارتعاش میکنند و به سرعت الکترونیک را سرکوب میکنند. برانگیختگی
گیوت می گوید: مواد نقطه کوانتومی نیمه هادی معدنی مانند مولکول های رنگ محلول هستند و دارای تحریکات الکترونیکی قابل تنظیم در باند مادون قرمز میانی هستند، اما آنها از اتم های سنگینی تشکیل شده اند که در فرکانس های بسیار پایین تر ارتعاش می کنند، که آنها را به مواد مادون قرمز خوب و قابل پردازش با محلول تبدیل می کند. Sionnest. این چیزی است که به ما ایده مطالعه نقاط کوانتومی نیمه هادی فروسرخ را داد - 25 سال پیش شروع شد.
لیزرهای مادون قرمز در حال حاضر توسط یک فرآیند اپیتاکسی مولکولی ساخته میشوند که اگرچه موثر است، اما کار فشرده و گران است. بنابراین، محققان می خواستند راه بهتری برای تحقق لیزرهای مادون قرمز بر اساس نقاط کوانتومی ایجاد کنند.
مکانیک کوانتومی و اثر آبشاری
این تیم تصمیم گرفت تکنیک "آبشار" را که به طور گسترده برای ساخت لیزر استفاده می شود، کشف کند. برای انجام این کار، آنها جوهر سیاهی از تریلیونها نانوکریستال هسته/پوسته ریز HgSe/CdSe ساختند، آن را با یک الکترود رسانا پوشاندند، الکترود رسانای دوم را در بالا تبخیر کردند و به آن انرژی دادند.
روش آنها شامل عبور جریان الکتریکی از طریق دستگاه و ارسال میلیون ها الکترون به دستگاه است. اگر موفقیت آمیز باشد، الکترون ها از یک سری سطوح انرژی مختلف عبور خواهند کرد، شبیه به سقوط از یک سری آبشار. هر بار که یک الکترون سطح انرژی را کاهش می دهد، فرصتی برای انتشار انرژی به شکل نور پیدا می کند. این به لطف مکانیک کوانتومی کار می کند.
Guyot Sionnest توضیح می دهد: "در یک LED آبشاری، ما با دو حالت نقطه کوانتومی سروکار داریم: پایین ترین حالت پایه، که مشابه حالت s اتم هیدروژن است، و اولین حالت برانگیخته، که مشابه حالت p است. " هنگامی که یک الکترون از حالت p به حالت s شل می شود، نور مادون قرمز میانی ساطع می کند. بایاس بین نقاط به الکترون اجازه می دهد تا از این حالت s به حالت p در نقطه بعدی تونل بزند و به همین ترتیب.
در کمال تعجب تیم، آنها نور را در اولین تلاش خود برای تولید نور مادون قرمز از طریق نقاط کوانتومی کلوئیدی مشاهده کردند. Guyot Sionnest گفت: "اولین تلاش ها در روش جدید ما برای تولید نور مادون قرمز بسیار موثر بود، و زمانی کارایی تولید نور در داخل نقاط کوانتومی افزایش مییابد، عملکرد آنها چندین مرتبه بهبود مییابد. این منابع نوری میتوانند به کارایی بیسابقه و هزینه کم دست یابند.»
Guyot Sionnest توضیح می دهد: «تونل زنی ترجیحی از حالت s یک نقطه کوانتومی به حالت p نقطه کوانتومی بعدی کاملاً واضح نیست، زیرا می توان به سادگی از حالت s یک نقطه به نقطه کوانتومی رفت. ما در ابتدا فکر میکردیم که این اولویت نیاز به تشدید در یک بایاس دقیق دارد، اما به روشی که هنوز ناشناخته است، الکترونها بهجای جریان به سمت پایین در یک آبشار مرتب میشوند، بنابراین بایاس اهمیتی ندارد.
هیچ چالش بزرگی در این کار وجود ندارد، زیرا این یک برنامه کاربردی از کار قبلی این تیم در ساخت نقاط کوانتومی مادون قرمز فلورسنت در آزمایشگاه است، و آنها قبلاً تجربه ساخت اولین LED های فروسرخ متوسط با نقاط کوانتومی و اندازه گیری آنها را دارند. نور خروجی
اما به ترکیبی غیرمعمول از مهارتها در رابطهای شیمیایی و فیزیکی نیاز دارد.» Guyot Sionnest میگوید: «به لطف Xinygyu Shen و Ananth Kamath، تیمهای بسیار کمی توانستهاند مهارتهای شیمیایی را برای ساختن نقاط کوانتومی، ابزارهای ساخت دستگاهها و ابزار دقیق مادون قرمز میانی برای توصیف آنها ترکیب کنند.»
حسگرها و لیزرهای گاز نوری
واضحترین و محتملترین کاربرد نور مادون قرمز تولید شده از طریق نقاط کوانتومی، حسگرهای گاز نوری است، Guyot Sionnest میگوید: «تولید انبوه LEDهای نقطه کوانتومی سریع و کارآمد و آشکارسازهای نقطه کوانتومی سریع و کارآمد، حسگر گاز نوری را بسیار ارزانتر میکند. این فناوری همچنین حساسیت بهتری نسبت به فناوریهای کمهزینه مبتنی بر منابع حرارتی و آشکارسازهای ترموالکتریک ایجاد میکند.»
لیزرها امتداد احتمالی این کار هستند، اما مشخص نیست که محقق شوند. فراتر از آن، کاربردهای تجاری ممکن است به استفاده از نقاط کوانتومی بدون عناصر سمی و تنظیم شده مانند جیوه، کادمیوم و سرب نیاز داشته باشد.
Xingyu Shen، دانشجوی کارشناسی ارشد در Guyot Sionnest، گفت: "یک روش مقرون به صرفه و آسان برای ایجاد نور مادون قرمز از نقاط کوانتومی می تواند بسیار مفید باشد."
