Fysikere observerer båleffekt i blinkende nanorodhalvledere

Når halvleder -nanoroder udsættes for lys, de blinker i et tilsyneladende tilfældigt mønster. Ved at samle nanoroder sammen, fysikere ved University of Pennsylvania har vist, at deres kombinerede "on" tid øges dramatisk, hvilket giver ny indsigt i denne mystiske blinkende adfærd.

Undersøgelsen blev udført af lektor Marija Drndics gruppe, herunder kandidatstuderende Siying Wang og postdoktorer Claudia Querner og Tali Dadosh, alle af Institut for Fysik og Astronomi i Penn's School of Arts and Sciences. De samarbejdede med Catherine Crouch fra Swarthmore College og Dmitry Novikov fra New York University's School of Medicine.

Deres forskning blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

Når den er forsynet med energi, om det er i form af lys, elektricitet eller visse kemikalier, mange halvledere udsender lys. Dette princip fungerer i lysemitterende dioder, eller lysdioder, som findes i et vilkårligt antal forbrugerelektronik.

På makroskalaen, denne elektroluminescens er konsistent; LED pærer, for eksempel, kan skinne i årevis med en brøkdel af den energi, der bruges af selv kompakt-fluorescerende pærer. Men når halvledere krymper til nanometerstørrelse, i stedet for at skinne støt, de tænder og slukker på en uforudsigelig måde, skifte mellem at udsende lys og være mørkt i forskellige tidsrum. I årtiet siden dette blev observeret, mange forskningsgrupper rundt om i verden har søgt at afdække mekanismen for dette fænomen, som stadig ikke er helt forstået.

"Blinkning er blevet undersøgt i mange forskellige nanoskala materialer i over et årti, da det er overraskende og spændende, men det er statistikken for blinkende, der er så usædvanlige, "Sagde Drndic." Disse nanoroder kan være 'tændt' og 'slukket' i alle tidsskalaer, fra et mikrosekund til timer. Derfor arbejdede vi med Dmitry Novikov, der studerer stokastiske fænomener i fysiske og biologiske systemer. Disse usædvanlige Levi -statistikker opstår, når mange faktorer konkurrerer med hinanden på forskellige tidsskalaer, resulterer i en ret kompleks adfærd, med eksempler lige fra jordskælv til biologiske processer til udsving i aktiemarkedet. "

Drndic og hendes forskerhold, gennem en kombination af billeddannelsesteknikker, har vist, at klyngning af disse nanorodhalvledere i høj grad øger deres samlede "til" tid i en slags "lejrbålseffekt". Tilføjelse af en stang til klyngen har en multiplikationseffekt på gruppens "tændte" periode.

"Hvis du sætter nanoroder sammen, hvis hver enkelt blinker i sjældne korte udbrud, du ville tro, at den maksimale 'on' tid for gruppen ikke vil være meget større end den for en nanorod, da deres bursts stort set ikke overlapper hinanden, "Sagde Novikov." Det, vi ser, er stærkt forlængede 'på' bursts, når nanoroder er meget tæt på hinanden, som om de hjælper hinanden med at blive ved med at skinne, eller 'brændende'. "

Drndics gruppe demonstrerede dette ved at deponere cadmiumselenid -nanoroder på et substrat, skinner en blå laser på dem, derefter tage video under et optisk mikroskop for at observere det røde lys, nanoroderne derefter udsendte. Selvom denne teknik gav data om, hvor længe hver klynge var "tændt, "teamet skulle bruge transmissionselektronmikroskopi, eller TEM, at skelne hver enkelt, 5-nanometer stang og mål størrelsen på hver klynge.

Et sæt guldgitterlinjer tillod forskerne at mærke og lokalisere individuelle nanorodklynger. Wang lagde derefter nøjagtigt omkring tusind syede TEM-billeder sammen med de luminescensdata, som hun tog med det optiske mikroskop. Forskerne observerede "lejrbålseffekten" i klynger så små som to og så store som 110, da klyngen effektivt indtog makroskalaegenskaber og holdt op med at blinke helt.

Selvom den nøjagtige mekanisme, der forårsager denne langvarige luminescens, endnu ikke kan fastslås, Drndics teams fund understøtter ideen om, at interaktioner mellem elektroner i klyngen er roden til effekten.

"Ved at flytte fra den ene ende af en nanorod til den anden, eller på anden måde ændre position, vi antager, at elektroner i en stang kan påvirke dem i nabostænger på måder, der forbedrer de andre stavers evne til at afgive lys, "Crouch sagde." Vi håber, at vores fund vil give indsigt i disse nanoskala -interaktioner, samt hjælpe med at vejlede fremtidigt arbejde med at forstå blinkning i enkelte nanopartikler. "

Da nanoroder kan være en størrelsesorden mindre end en celle, men kan udsende et signal, der relativt let kan ses under et mikroskop, de har længe været betragtet som potentielle biomarkører. Deres inkonsekvente belysningsmønster, imidlertid, har begrænset deres anvendelighed.

"Biologer bruger halvleder -nanokrystaller som fluorescerende etiketter. En væsentlig ulempe er, at de blinker, "Sagde Drndic." Hvis emissionstiden kunne forlænges til mange minutter, gør det dem meget mere brugbare. Med videreudvikling af syntesen, måske kunne klynger udformes som forbedrede etiketter. "

Fremtidig forskning vil bruge mere ordnede nanorod-samlinger og kontrollerede interpartikelseparationer til yderligere at studere detaljerne i partikelinteraktioner.