Sådan gør du lyse kvanteprikker endnu lysere

Ulykkelige atomer reducerer lysstyrken

Lysstyrke er et vigtigt mål for kvanteprikker og er relateret til antallet af fotoner kvanteprikken udsender pr. sekund. Kvanteprikker udstråler fotoner af en bestemt farve (og dermed frekvens) efter at være blevet exciteret, for eksempel af ultraviolet lys med en højere frekvens.

Dette fører til dannelsen af ​​en exciton bestående af en elektron, som nu kan bevæge sig mere frit, og et hul – med andre ord en manglende elektron – i materialets energiske båndstruktur. Den exciterede elektron kan falde tilbage til en lavere energitilstand og dermed rekombinere med hullet. Hvis den energi, der frigives under denne proces, omdannes til en foton, udsender kvanteprikken lys.

Dette virker dog ikke altid. "Ved overfladen af ​​perovskit-nanokrystallerne er 'ulykkelige' atomer, der mangler en nabo i krystalgitteret," forklarer seniorforsker Gabriele Raino. Disse kantatomer forstyrrer balancen mellem positive og negative ladningsbærere inde i nanokrystallen og kan forårsage, at den energi, der frigives under en rekombination, omdannes til gittervibrationer i stedet for at blive udsendt som lys. Som følge heraf "blinker" kvanteprikken, hvilket betyder, at den ikke lyser konstant.

Beskyttende belægning lavet af fosfolipider

For at forhindre dette i at ske, har Kovalenko og hans team udviklet skræddersyede molekyler kendt som fosfolipider. "Disse fosfolipider minder meget om liposomerne, hvori f.eks. mRNA-vaccinen mod coronavirus er indlejret på en sådan måde, at den gør den stabil i blodbanen, indtil den når cellerne," forklarer Kovalenko.

En vigtig forskel:Forskerne optimerede deres molekyler, så den polære (elektrisk følsomme) del af molekylet låser sig fast på overfladen af ​​perovskit-kvanteprikkerne og sørger for, at de "ulykkelige" atomer forsynes med en ladningspartner.

Den upolære del af fosfolipidet, der rager ud på ydersiden, gør det også muligt at omdanne kvanteprikker til en dispersion inde i ikke-vandige opløsninger såsom organiske opløsningsmidler. Lipidbelægningen på overfladen af ​​perovskit-nanokrystallerne er også vigtig for deres strukturelle stabilitet, som Kovalenko understreger:"Denne overfladebehandling er i bund og grund for alt, hvad vi måtte ønske at gøre med kvanteprikkerne."

Indtil videre har Kovalenko og hans team demonstreret behandlingen af ​​kvanteprikker lavet af blyhalogenidperovskiter, men den kan også let tilpasses til andre metalhalogenidkvanteprikker.

Endnu lysere takket være superudstråling

Med lipidoverfladen var det muligt at reducere kvanteprikkernes blink i en sådan grad at udsende en foton i 95 % af elektron-hul-rekombinationshændelser. For at gøre kvanteprikken endnu lysere var forskerne imidlertid nødt til at øge hastigheden af ​​selve rekombinationen – og det kræver kvantemekanik.

En exciteret tilstand, såsom en exciton, henfalder, når en dipol - positive og negative ladninger forskydes i forhold til hinanden - interagerer med det elektromagnetiske felt i vakuumet. Jo større dipol, jo hurtigere henfalder. En mulighed for at skabe en større dipol involverer kohærent kobling af flere mindre dipoler til hinanden. Dette kan sammenlignes med pendulure, der er mekanisk forbundet og tikker i takt med hinanden efter et vist tidsrum.

Forskerne var i stand til eksperimentelt at vise, at den sammenhængende kobling også virker i perovskit-kvanteprikker - med kun en enkelt exciton-dipol, der - gennem kvantemekaniske effekter - spreder sig ud over hele kvanteprikkens volumen, og derved skaber flere kopier af sig selv, som det var. Jo større kvanteprikken er, jo flere kopier kan der oprettes. Disse kopier kan fremkalde en effekt kendt som superradiance, hvorved excitonen rekombinerer meget hurtigere.

Kvanteprikken er derfor også hurtigere klar til at optage en ny exciton og kan dermed udsende flere fotoner i sekundet, hvilket gør den endnu lysere. En vigtig detalje at bemærke er, at den hurtigere kvanteprik fortsætter med at udsende enkelte fotoner (ikke flere fotoner på én gang), hvilket gør den velegnet til kvanteteknologier.

De forbedrede perovskit-kvanteprikker er ikke kun af interesse for lysproduktion og skærme, siger Kovalenko, men også på andre mindre oplagte områder. For eksempel kunne de bruges som lysaktiverede katalysatorer i organisk kemi. Kovalenko forsker i sådanne applikationer og flere andre, herunder inden for rammerne af NCCR Catalysis.

Flere oplysninger: Chenglian Zhu et al., Single-photon superradians i individuelle cæsium blyhalogenid kvanteprikker, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-07001-8. www.nature.com/articles/s41586-023-07001-8

Viktoriia Morad et al., Designer Phospholipid Capping Ligander for Soft Metal Halide Nanokrystaller, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06932-6

Journaloplysninger: Natur

Leveret af ETH Zürich