Ekstremt stærkt og hurtigt lys

Et internationalt team af forskere fra ETH Zürich, IBM Research Zürich, Empa og fire amerikanske forskningsinstitutioner har fundet forklaringen på, hvorfor en klasse af nanokrystaller, der er blevet intensivt undersøgt i de seneste år, skinner i så utroligt lyse farver. Nanokrystaller indeholder cesium blyhalogenidforbindelser, der er arrangeret i en perovskitgitterstruktur.

Tre år siden, Maksym Kovalenko, professor ved ETH Zürich og Empa, lykkedes at skabe nanokrystaller - eller kvantepunkter, som de også er kendt - fra dette halvledermateriale. "Disse små krystaller har vist sig at være ekstremt lyse og hurtigt udsendende lyskilder, lysere og hurtigere end nogen anden type kvanteprikker, der er undersøgt hidtil, " siger Kovalenko. Ved at variere sammensætningen af ​​de kemiske grundstoffer og størrelsen af ​​nanopartiklerne, det lykkedes ham også at producere en række forskellige nanokrystaller, der lyser op i farverne i hele det synlige spektrum. Disse kvanteprikker bliver således også behandlet som komponenter til fremtidige lysemitterende dioder og displays.

I en undersøgelse offentliggjort i den seneste udgave af det videnskabelige tidsskrift Natur , det internationale forskerhold undersøgte disse nanokrystaller individuelt og meget detaljeret. Forskerne kunne bekræfte, at nanokrystallerne udsender lys ekstremt hurtigt. Tidligere undersøgte kvanteprikker udsender typisk lys omkring 20 nanosekunder efter at være blevet exciteret, når de er ved stuetemperatur, hvilket allerede er meget hurtigt. "Imidlertid, cæsium blyhalogenid kvanteprikker udsender lys ved stuetemperatur efter blot et nanosekund, " forklarer Michael Becker, første forfatter til undersøgelsen. Han er doktorand ved ETH Zürich og udfører sit doktorgradsprojekt på IBM Research.

Elektron-hul-par i en exciteret energitilstand

At forstå hvorfor cæsium blyhalogenid kvanteprikker ikke kun er hurtige, men også meget lyse, indebærer at dykke ind i de enkelte atomers verden, lyspartikler (fotoner) og elektroner. "Du kan bruge en foton til at excitere halvledernanokrystaller, så en elektron forlader sin oprindelige plads i krystalgitteret, efterlader et hul, " forklarer David Norris, Professor i materialeteknik ved ETH Zürich. Resultatet er et elektron-hul-par i en exciteret energitilstand. Hvis elektron-hul-parret vender tilbage til sin energigrundtilstand, der udsendes lys.

Under visse betingelser, forskellige exciterede energitilstande er mulige; i mange materialer, den mest sandsynlige af disse tilstande kaldes en mørk. "I sådan en mørk tilstand, elektronhulsparret kan ikke vende tilbage til sin energigrundtilstand med det samme, og derfor undertrykkes lysemissionen og opstår forsinket. Dette begrænser lysstyrken", siger Rainer Mahrt, en videnskabsmand hos IBM Research.

Ingen mørk tilstand

Forskerne var i stand til at vise, at cæsium blyhalogenid kvanteprikker adskiller sig fra andre kvanteprikker:deres mest sandsynlige exciterede energitilstand er ikke en mørk tilstand. Ophidsede elektron-hul-par er meget mere tilbøjelige til at finde sig selv i en tilstand, hvor de kan udsende lys med det samme. "Dette er grunden til, at de skinner så klart, siger Norris.

Forskerne kom til denne konklusion ved hjælp af deres nye eksperimentelle data og ved hjælp af teoretisk arbejde ledet af Alexander Efros, en teoretisk fysiker ved Naval Research Laboratory i Washington. Han er en pioner inden for kvanteprikforskning og, 35 år siden, var blandt de første videnskabsmænd til at forklare, hvordan traditionelle halvlederkvanteprikker fungerer.

Gode ​​nyheder til datatransmission

Da de undersøgte cæsiumblyhalogenidkvantepunkter ikke kun er lyse, men også billige at producere, kan de anvendes på tv -skærme, med indsats iværksat af flere virksomheder, i Schweiz og i hele verden. "Også, da disse kvanteprikker hurtigt kan udsende fotoner, de er af særlig interesse for brug i optisk kommunikation inden for datacentre og supercomputere, hvor hurtigt, små og effektive komponenter er centrale, " siger Mahrt. En anden fremtidig anvendelse kunne være den optiske simulering af kvantesystemer, som er af stor betydning for grundforskning og materialevidenskab.

ETH-professor Norris er også interesseret i at bruge den nye viden til udvikling af nye materialer. "Som vi nu forstår, hvorfor disse kvanteprikker er så lyse, vi kan også tænke på at konstruere andre materialer med lignende eller endnu bedre egenskaber, " han siger.