Første 3D-billeddannelse af exciterede kvanteprikker

Kvanteprikker indtager hurtigt centrum i nye applikationer og forskningsudviklinger, fra forbedrede LCD-tv'er og tyndfilmssolceller, til højhastighedsdataoverførsel og fluorescerende mærkning i biomedicinske applikationer.

Forskere studerer stadig, hvordan man præcist kan kontrollere væksten af ​​disse nanoskala partikler og deres underliggende kvanteadfærd. For eksempel, defekter dannes under produktion af halvledermaterialer, så identiske prikker kan afvige i sammensætning fra hinanden.

For at lære mere om disse defekter - og om de er en bane eller en fordel - et amerikansk forskerhold, fra University of Illinois og University of Washington, har, for første gang, demonstreret billeddannelse af en elektronisk exciteret kvanteprik i flere orienteringer. De rapporterer deres resultater i denne uge Journal of Chemical Physics .

"Forståelse af, hvordan tilstedeværelsen af ​​defekter lokaliserer exciterede elektroniske tilstande af kvanteprikker, vil hjælpe med at fremme konstruktionen af ​​disse nanopartikler, " sagde Martin Gruebele fra University of Illinois i Urbana-Champaign og en medforfatter af papiret.

Defekter betragtes ofte som et besvær, men i tilfælde af quantum dot-applikationer, de er bevidst skabt ved at dope et vilkårligt antal materialer for at bibringe specifikke funktioner. "[M]manglende atomer i en kvanteprik eller erstatning af en anden slags atom er defekter, der vil ændre den elektroniske struktur og ændre halvledningsevnen, katalyse eller andre nanopartikelegenskaber, " sagde Gruebele. "Hvis vi kan lære at karakterisere dem bedre og præcist kontrollere, hvordan de produceres, defekter vil blive ønskværdige dopingmidler i stedet for til gene."

I 2005, Gruebeles team skabte en ny billedbehandlingsteknik, kaldet enkeltmolekyle absorption scanning tunneling mikroskopi (SMA-STM), der kombinerer den høje rumlige opløsning af et scanning tunneling mikroskop med den spektrale opløsning af en laser. SMA-STM gør det muligt at afbilde individuelle nanopartikler i en laserstråle, så deres ophidsede elektroniske struktur kan visualiseres.

Ved at bruge det tynde, skarp metaltrådsspids af scanningstunnelmikroskopet, de ruller den laserexciterede kvanteprik på overfladen til billedskiver i forskellige orienteringer. Skiverne kan kombineres for at rekonstruere et 3-D-billede af en elektronisk exciteret kvanteprik.

Mens forskningen i denne artikel var begrænset til blysulfid og cadmiumselenid/zinksulfid kvanteprikker, teknikken kan potentielt udvides til andre kompositioner. Desuden, SMA-STM kan også bruges til at udforske andre nanostrukturer, såsom kulstofnanorør og fotokatalytiske metalklynger.

Forskere arbejder nu på at fremme SMA-STM til en enkelt-partikel tomografiteknik. Men, før SMA-STM bliver en "ægte enkelt-partikel tomografi tilgang, " de skal stadig sikre, at scanningen og rulningen ikke beskadiger nanopartiklerne, mens den omorienteres.

"Vi spekulerer i, at i fremtiden, det kan være muligt at lave enkeltpartikeltomografi, hvis beskadigelse af kvanteprikker kan undgås under gentagen manipulation, " sagde Gruebele.

Enkeltpartikeltomografi ville give et klarere billede end konventionel tomografi ved at udskille defekter i individuelle nanopartikler i stedet for at genskabe et gennemsnitligt 3-D-billede, der kombinerer målingerne af mange partikler.