Onderzoekers van het Indian Institute of Science (IISc) hebben een nieuwe hybride gemaakt van grafeen en kwantumdots, een doorbraak die kan inspireren tot zeer efficiënte en regelbare displays en LED's van de volgende generatie.

Quantum dots zijn halfgeleider nanokristallen met het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in diverse technologieën, inclusief fotovoltaïsche, medische beeldvorming en kwantumcomputers. Ze kunnen UV-licht absorberen en scherpe, felle kleuren, waardoor ze vooral aantrekkelijk zijn voor tv's van de volgende generatie, smartphones en leds. Echter, het zijn slechte elektrische geleiders, en daarom inefficiënt om op zichzelf te gebruiken in apparaten. Om hun efficiëntie te verbeteren, onderzoekers hebben geprobeerd ze te combineren met grafeen, een uitstekende dirigent. Het toevoegen van grafeen zou ook de mogelijkheid bieden om zelfs na fabricage aan de output te sleutelen, of zet het apparaat naar believen aan en uit.

Hoewel de combinatie goed werkt voor fotodetectoren en sensoren, het is praktisch nutteloos voor displays en LED's, omdat kwantumstippen hun vermogen om licht uit te zenden verliezen wanneer ze worden gefuseerd met grafeen. Door enkele experimentele omstandigheden te wijzigen, IISc-wetenschappers hebben een manier gevonden om dit effect te elimineren en een zeer efficiënt en afstembaar hybride materiaal te creëren. De resultaten, gepubliceerd in ACS Fotonica , opent mogelijkheden voor een nieuwe generatie state-of-the-art displays en LED's.

Quantum dots zijn extreem kleine deeltjes met eigenschappen die veel beter zijn dan conventionele halfgeleiders. Wanneer geactiveerd door UV-licht, ze kunnen zichtbaar licht in verschillende kleuren produceren, afhankelijk van hun grootte. Kleine stippen produceren blauw licht, bijvoorbeeld, terwijl grote rood uitstralen.

Ze absorberen het licht zeer goed, maar het zijn slechte elektrische geleiders; kwantumdot-gebaseerde apparaten die licht omzetten in elektriciteit zijn daarom niet erg efficiënt. grafeen, anderzijds, is bijna transparant voor licht, maar het is een uitstekende elektrische geleider. Wanneer de twee worden gecombineerd, grafeen zou kunnen, in principe, trek snel de geabsorbeerde energie weg van kwantumstippen, het verminderen van energieverlies, en zet het om in een elektrisch signaal, bijvoorbeeld. Dit maakt het mogelijk om apparaten zoals fotodetectoren te maken met een extreem hoog rendement.

"Je krijgt het beste van beide, " zegt senior auteur Jaydeep Kumar Basu, professor, Afdeling Natuurkunde, IISc.

Op de flip-slide, de energieoverdracht naar grafeen laat kwantumstippen achter met bijna geen energie meer om licht uit te stralen, waardoor het onmogelijk is om ze in displays of LED's te gebruiken.

"Dat is een gebied waar de toepassing van deze hybride materialen door dit effect niet van de grond is gekomen, " zegt Basu. "Grafeen werkt als een spons, wat de kwantumstippen betreft. Het laat geen enkele uitstoot toe."

Het team van Basu probeerde dit "uitdovende" effect te overwinnen door een fenomeen in het spel te brengen dat superradiance wordt genoemd. Wanneer individuele atomen of emitters (zoals kwantumdots) in een laag worden geëxciteerd, elk straalt onafhankelijk licht uit. Onder bepaalde omstandigheden, alle atomen of emitters kunnen worden gemaakt om samen licht uit te stralen. Dit geeft een zeer helder licht, met een intensiteit die aanzienlijk groter is dan de som van de individuele emissies.

In een eerdere studie, Het team van Basu was in staat om superradiance teweeg te brengen in een dunne laag kwantumdots door deze onder bepaalde experimentele omstandigheden te combineren met metalen nanodeeltjes. Ze hebben die omstandigheden nagebootst in de nieuwe hybride kwantumdot-grafeen-apparaten om superradiantie te produceren, die sterk genoeg was om het blussen te compenseren. Met behulp van modellen, ze ontdekten dat dit gebeurt wanneer individuele kwantumstippen 5 nm of minder van elkaar verwijderd zijn, en de kwantumdot-laag en grafeen zijn gescheiden door een afstand van 3 nm of minder.

"We hebben voor het eerst aangetoond dat we in staat zijn om van dit 'spons'-effect af te komen, en de uitstoters in leven te houden, ' zegt Bas.

Toen superradiance domineerde, de intensiteit van het licht dat werd uitgestraald in de aanwezigheid van grafeen bleek ook drie keer hoger te zijn dan wat had kunnen worden bereikt met alleen kwantumstippen.

“Het voordeel van grafeen is dat je het ook elektrisch kunt afstemmen, " zegt Basu. "Je kunt de intensiteit variëren door simpelweg de spanning of de stroom te veranderen."

De studie opent ook nieuwe wegen voor onderzoek naar het begrip van hoe licht en materie op nanoschaal met elkaar omgaan, zeggen de auteurs.