Brug af perovskite vil være et nøgleelement i den næste generation af elektroniske apparater

Kvanteprikker er menneskeskabte nanopartikler af halvledende materiale, der kun omfatter nogle få tusinde atomer. På grund af det lille antal atomer, et kvantepunkts egenskaber ligger mellem egenskaberne for enkelte atomer eller molekyler og bulkmateriale med et stort antal atomer. Ved at ændre nanopartiklernes størrelse og form, det er muligt at finjustere deres elektroniske og optiske egenskaber - hvordan elektroner binder sig og bevæger sig gennem materialet, og hvordan lys absorberes og udsendes af det.

Takket være stadig mere raffineret kontrol af nanopartiklernes størrelse og form, antallet af kommercielle ansøgninger er vokset. De allerede tilgængelige inkluderer lasere, LED'er, og tv med quantum dot-teknologi.

Imidlertid, der er et problem, der kan forringe effektiviteten af ​​enheder eller apparater, der bruger dette nanomateriale som et aktivt medium. Når lys absorberes af et materiale, elektronerne fremmes til højere energiniveauer, og når de vender tilbage til deres grundlæggende tilstand, hver enkelt kan udsende en foton tilbage til miljøet. I konventionelle kvanteprikker kan elektronens returrejse til sin grundlæggende tilstand forstyrres af forskellige kvantefænomener, forsinke udsendelsen af ​​lys til det ydre.

Fængsling af elektroner på denne måde, kendt som "den mørke tilstand, "forsinker emissionen af ​​lys, i modsætning til den vej, der lader dem hurtigt vende tilbage til den grundlæggende tilstand og dermed udsende lys mere effektivt og direkte ("lys tilstand").

Denne forsinkelse kan være kortere i en ny klasse af nanomateriale fremstillet af perovskit, som derfor vækker stor interesse blandt forskere i materialevidenskab.

En undersøgelse udført af forskere fra kemi- og fysikinstitutterne ved University of Campinas (UNICAMP) i staten São Paulo, Brasilien, i samarbejde med forskere ved University of Michigan i USA, gjort fremskridt i denne retning ved at give ny indsigt i den grundlæggende fysik af perovskit-kvanteprikker. En artikel om undersøgelsen er publiceret i Videnskabens fremskridt .

"Vi brugte kohærent spektroskopi, hvilket gjorde det muligt for os at analysere separat opførsel af elektronerne i hvert nanomateriale i et ensemble på titusinder af nanomaterialer. Undersøgelsen er banebrydende, for så vidt den kombinerer en relativt ny klasse af nanomaterialer - perovskit - med en helt ny detektionsteknik, " Lázaro Padilha Junior, hovedefterforsker for projektet på den brasilianske side, fortalte Agência FAPESP.

FAPESP støttede undersøgelsen via et Young Investigator Grant og et Regular Research Grant tildelt Padilha.

"Vi var i stand til at verificere energitilpasningen mellem den lyse tilstand [associeret med trillinger] og den mørke tilstand [associeret med singletter], angiver, hvordan denne justering afhænger af størrelsen af ​​nanomaterialet. Vi gjorde også opdagelser vedrørende interaktionerne mellem disse stater, åbne muligheder for brug af disse systemer på andre teknologiske områder, såsom kvanteinformation, " sagde Padilha.

"På grund af krystalstrukturen af ​​perovskit, niveauet af lys energi deler sig i tre, danner en triplet. Dette giver forskellige veje til excitation og for elektronerne at vende tilbage til den grundlæggende tilstand. Det mest slående resultat af undersøgelsen var, at vi ved at analysere levetiden for hver af de tre lyse tilstande og karakteristikaene af signalet udsendt af prøven opnåede beviser for, at den mørke tilstand er til stede, men placeret på et højere energiniveau end to af de tre lyse tilstande. Dette betyder, at når lyset skinner på prøven, bliver de exciterede elektroner kun fanget, hvis de indtager det højeste lyse niveau og derefter flyttes til den mørke tilstand. Hvis de indtager de lavere lyse niveauer, de vender tilbage til den grundlæggende tilstand mere effektivt."

For at studere, hvordan elektroner interagerer med lys i disse materialer, gruppen brugte multidimensional kohærent spektroskopi (MDCS), hvor et udbrud af ultrakorte laserimpulser (hver varer omkring 80 femtosekunder, eller 80 kvadrilliontedele af et sekund) udstråles ved en prøve af perovskit afkølet til minus 269 grader Celsius.

"Impulserne bestråler prøven med stramt kontrollerede intervaller. Ved at modificere intervallerne og detektere lyset udsendt af prøven som funktion af intervallet, vi kan analysere elektron-lys-interaktionen og dens dynamik med høj tidsmæssig præcision, kortlægning af de typiske interaktionstider, de energiniveauer, som de kobler sig til, og interaktioner med andre partikler, " sagde Padilha.

MDCS-teknikken kan bruges til at analysere milliarder af nanopartikler på samme tid og til at skelne mellem forskellige familier af nanopartikler til stede i prøven.

Det eksperimentelle system blev udviklet af et team ledet af Steven Cundiff, hovedefterforsker for undersøgelsen ved University of Michigan. Nogle af målingerne blev foretaget af Diogo Almeida, et tidligere medlem af Cundiffs team og nu på UNICAMPs ultrahurtige spektroskopi-laboratorium med et postdoc-stipendium fra FAPESP under Padilhas supervision.

Kvanteprikker blev syntetiseret af Luiz Gustavo Bonato, en ph.d. kandidat ved UNICAMP's Chemistry Institute. "Den omhu, som Bonato tog ved at forberede kvanteprikkerne og hans protokol var fundamentalt vigtige, som det fremgår af deres kvalitet og størrelse, og ved egenskaberne af det nanometriske materiale, " sagde Ana Flávia Nogueira, co-principal investigator for undersøgelsen i Brasilien. Nogueira er professor ved Chemistry Institute (IQ-UNICAMP) og hovedforsker for Research Division 1 ved Center for Innovation in New Energies (CINE), et Engineering Research Center (ERC) etableret af FAPESP og Shell.

"De opnåede resultater er meget vigtige, da viden om materialets optiske egenskaber, og hvordan dets elektroner opfører sig, åbner muligheder for udvikling af nye teknologier inden for halvlederoptik og elektronik. Inkorporeringen af ​​perovskit er højst sandsynligt det mest karakteristiske træk ved den næste generation af tv-apparater, " sagde Nogueira.