Hurtigere kolloide fluorescensemittere:Nanoblodplader

(PhysOrg.com) -- Betydelige fremskridt i anvendelsen af ​​kolloide strukturer som lysudsender og lasere kan snart realiseres efter opdagelsen af ​​meget hurtige fluorescensemissionshastigheder i kolloide nanoplader. Disse nanoblodplader kombinerer de bedste egenskaber ved to domæner:den brede afstemning af absorption og fotoluminescens af nanokrystaller og den korte henfaldstid for excitoner i kvantebrønde. Denne opdagelse, som blev annonceret af videnskabsmænd ved Naval Research Laboratory og Laboratoire de Physique et d'Etude des Matéiaux, UMR8213 du CNRS, ESPCI, tyder på, at nanopladerne er en vigtig, nyt materiale til konstruktion af justerbare lysdioder, lavtærskellasere, og fotovoltaiske solceller. De fuldstændige resultater af undersøgelsen er offentliggjort på nettet i oktober 23, 2011, udgave af tidsskriftet Naturmaterialer .

Nanoplader er en ny klasse af optiske materialer, der i det væsentlige er atomisk flade, kvasi-to-dimensional kolloid CdSe, CdS, og CdTe-lag med veldefinerede tykkelser fra 4 til 11 monolag. Disse nanoblodplader har elektroniske egenskaber af todimensionelle kvantebrønde dannet af molekylær stråleepitaxi, og deres tykkelsesafhængige absorptions- og emissionsspektre er fuldstændig styret af lagtykkelsen. Den meget høje rumlige indeslutning af bærere i disse kolloide strukturer, praktisk talt utilgængelige i epitaksiale kvantebrønde, kombineret med muligheder for at skabe meget tynde, flade lag (ned til 1,5 nm) af halvlederne gør båndgabet af dette materiale indstilleligt over et 1,4 eV-område. Den bredt afstembare absorptionsbåndkant, som primært styres af nanopladernes tykkelse, resulterer i bredt afstembare emissionsspektre.

Stærk forbedring af elektron-hul Coulomb-interaktion på grund af den lille dielektriske konstant af de omgivende medier er en anden egenskab ved kolloide nanoplader, der hverken findes i sfæriske kolloide nanokrystaller eller i epitaksiale kvantebrønde. Dette fænomen reducerer radius af excitoner betydeligt og forkorter deres strålingsnedbrydningstid. Ud over, nanopladeformen påvirker styrken af ​​excitonkoblingen med udsendte fotoner, fordi den tangentielle komponent af fotonens elektriske felt ikke ændrer sin værdi, når den trænger gennem overfladen af ​​de flade nanoplader. Dette forkorter også den fluorescerende henfaldstid i disse strukturer.

Endelig, jordens excitontilstande i kvasi-todimensionelle nanoplader kan have en gigantisk oscillatorstyrkeovergang forbundet med excitoncentret for massekohærent bevægelse. Den gigantiske oscillatorstyrkeovergang er et kvantemekanisk fænomen, der kan beskrives som kohærent excitation af volumen, som er væsentligt større end volumenet af excitonen. Fænomenet blev forudsagt for 50 år siden af ​​Rashba. Den gigantiske oscillatorstyrkeovergang af jordens excitontilstand forbedrer absorptionstværsnittet og forkorter excitonstrålingens henfaldstid betydeligt. I tilfælde af todimensionelle strukturer, forstærkningen er proportional med forholdet mellem arealet af excitonens kohærente bevægelse og kvadratet af exciton Bohr-radius.

Forskerholdene ved Laboratoire de Physique et d'Etude des Matéiaux og NRL fandt, at ved stuetemperatur, fluorescenslevetiden for CdSe nanoblodplader er kortere end for CdSe nanokrystaller med tilsvarende kvanteudbytte og emissionsbølgelængde. Vigtigt, fluorescenslevetiden for nanoblodplader falder med temperaturen, hvorimod deres emissionsintensitet stiger. En sådan temperaturafhængighed af fluorescenslevetiden er en unik signatur på den gigantiske oscillatorstyrkeovergang, som tidligere kun blev observeret i kvantebrønde ved heliumtemperaturer. Ved 6K bliver den radiative henfaldstid kortere end 1 ns, hvilket er to størrelsesordener mindre end for sfæriske CdSe nanokrystaller. Dette gør nanopladerne til de hurtigste kolloide fluorescerende emittere kendt og antyder kraftigt, at de viser en gigantisk oscillatorstyrkeovergang.

Fremtidige bestræbelser vil være fokuseret på optimering af disse nanoblodpladestrukturer med et mål om at eliminere de ikke-strålende processer forbundet med overfladen. Væksten af ​​kerne-skal nanoplader ville yderligere udvide egenskaberne og anvendelserne af de her præsenterede materialer og ville bane vejen for syntesen af ​​kolloide, strukturer med flere kvantebrønde. Sådanne strukturer skulle gøre det muligt for forskere at drage fuld fordel af den observerede afkortning af den strålingsmæssige henfaldstid og tunbarhed, og viser vejen til fremtidige gennembrud inden for fotonik, lasere, og andre optiske anvendelser af nanoblodplader.