Forskere afslører en proces, der står i vejen for at gøre kvanteprikker lysere

Lyse halvleder-nanokrystaller kendt som kvanteprikker giver QLED-tv-skærme deres livlige farver. Men forsøg på at øge intensiteten af ​​det lys genererer varme i stedet, reducerer prikkernes lysproducerende effektivitet.

En ny undersøgelse forklarer hvorfor, og resultaterne har brede implikationer for udvikling af fremtidige kvante- og fotonikteknologier, hvor lys erstatter elektroner i computere og væsker i køleskabe, for eksempel.

I en QLED TV-skærm, prikker absorberer blåt lys og gør det til grønt eller rødt. Ved de lave energier, hvor tv-skærme fungerer, denne konvertering af lys fra en farve til en anden er praktisk talt 100 % effektiv. Men ved de højere excitationsenergier, der kræves til lysere skærme og andre teknologier, effektiviteten falder kraftigt. Forskere havde teorier om, hvorfor dette sker, men ingen havde nogensinde observeret det på atomskala indtil nu.

For at finde ud af mere, forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory brugte et højhastigheds "elektronkamera" til at se prikker forvandle indkommende højenergilaserlys til deres egne glødende lysemissioner.

Eksperimenterne afslørede, at det indkommende højenergilaserlys udstøder elektroner fra prikkens atomer, og deres tilsvarende huller - tomme pletter med positive ladninger, der er frie til at bevæge sig rundt - bliver fanget på overfladen af ​​prikken, producerer uønsket spildvarme.

Ud over, elektroner og huller rekombinerer på en måde, der afgiver yderligere varmeenergi. Dette øger jigglingen af ​​prikkens atomer, deformerer sin krystalstruktur og spilder endnu mere energi, der kunne være gået til at gøre prikkerne lysere.

"Dette repræsenterer en nøglemåde, hvorpå energi suges ud af systemet uden at give anledning til lys, sagde Aaron Lindenberg, en lektor ved Stanford University og efterforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences ved SLAC, der ledede undersøgelsen med postdoc-forsker Burak Guzelturk.

"At forsøge at finde ud af, hvad der ligger til grund for denne proces, har været genstand for undersøgelse i årtier, " sagde han. "Det er første gang, vi kunne se, hvad atomerne rent faktisk gør, mens ophidset tilstandsenergi går tabt som varme."

Forskerholdet, som omfattede forskere fra SLAC, Stanford, University of California, Berkeley og DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory, beskrev resultaterne i Naturkommunikation i dag.

Udsender en ren, strålende glød

På trods af deres lille størrelse - de har omtrent samme diameter som fire DNA-strenge - er kvanteprikker nanokrystaller overraskende komplekse og meget konstruerede. De udsender ekstremt rent lys, hvis farve kan justeres ved at justere deres størrelse, form, sammensætning og overfladekemi. Kvanteprikkerne brugt i denne undersøgelse blev opfundet for mere end to årtier siden, og i dag er de meget brugt i lyse, energieffektive displays og billedværktøjer til biologi og medicin.

At forstå og løse problemer, der står i vejen for at gøre prikker mere effektive ved højere energier, er et meget varmt forskningsfelt lige nu, sagde Guzelturk, som udførte forsøg på SLAC med postdoc-forsker Ben Cotts.

Tidligere undersøgelser havde fokuseret på, hvordan prikkernes elektroner opførte sig. Men i denne undersøgelse, holdet var i stand til at se hele atomers bevægelser, også, med et elektronkamera kendt som MeV-UED. Det rammer prøver med korte impulser af elektroner med meget høj energi, målt i millioner af elektronvolt (MeV). I en proces kaldet ultrahurtig elektrondiffraktion (UED), elektronerne spredes fra prøven og ind i detektorer, skabe mønstre, der afslører, hvad både elektroner og atomer gør.

Da SLAC/Stanford-holdet målte adfærden af ​​kvanteprikker, der var blevet ramt med forskellige bølgelængder og intensiteter af laserlys, UC Berkeley-kandidatstuderende Dipti Jasrasaria og John Philbin arbejdede sammen med Berkeleys teoretiske kemiker Eran Rabani for at beregne og forstå det resulterende samspil mellem elektroniske og atomare bevægelser fra et teoretisk synspunkt.

"Vi mødtes med forsøgslederne ret ofte, " sagde Rabani. "De kom med et problem, og vi begyndte at arbejde sammen for at forstå det. Tankerne gik frem og tilbage, men det hele var sået fra eksperimenterne, som var et stort gennembrud i at kunne måle, hvad der sker med kvanteprikkernes atomgitter, når det er intenst ophidset."

En fremtid med lysbaseret teknologi

Undersøgelsen blev udført af forskere i et DOE Energy Frontier Research Center, Fotonik ved termodynamiske grænser, ledet af Jennifer Dionne, en Stanford lektor i materialevidenskab og teknik og senior associeret vice provost for forskningsplatforme/delte faciliteter. Hendes forskergruppe arbejdede sammen med Lindenbergs gruppe for at hjælpe med at udvikle den eksperimentelle teknik til at sondere nanokrystallerne.

Centerets endelige mål, Dionne sagde, er at demonstrere fotoniske processer, såsom lysabsorption og emission, på grænsen af, hvad termodynamikken tillader. Dette kunne medføre teknologier som køling, opvarmning, køling og energilagring – såvel som kvantecomputere og nye motorer til udforskning af rummet – udelukkende drevet af lys.

"For at skabe fotoniske termodynamiske cyklusser, du skal præcist kontrollere, hvor lys, varme, atomer, og elektroner interagerer i materialer, " Dionne sagde. "Dette arbejde er spændende, fordi det giver en hidtil uset linse på de elektroniske og termiske processer, der begrænser lysemissionseffektiviteten. De undersøgte partikler har allerede rekordstore kvanteudbytter, men nu er der en vej mod at designe næsten perfekte optiske materialer." Sådanne høje lysemissionseffektiviteter kunne åbne et væld af store futuristiske applikationer, alt sammen drevet af bittesmå prikker, der sonderes med ultrahurtige elektroner.