(PhysOrg.com) -- Onderzoek door wetenschappers van Los Alamos, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuur documenteert aanzienlijke vooruitgang bij het begrijpen van het fenomeen van het knipperen van kwantumdots. Hun bevindingen zouden het vermogen van biologen moeten vergroten om afzonderlijke deeltjes te volgen, technologen in staat stellen nieuwe lichtemitterende diodes en single-photon-bronnen te creëren, en het stimuleren van de inspanningen van energieonderzoekers om nieuwe soorten zeer efficiënte zonnecellen te ontwikkelen.

Het meest opwindende is dat de Los Alamos-onderzoekers hebben aangetoond dat het knipperen elektrochemisch kan worden gecontroleerd en zelfs volledig onderdrukt. Zoals het Nature-artikel beschrijft, de groep ontwikkelde een nieuw spectro-elektrochemisch experiment waarmee ze een enkele kwantumdot controleerbaar konden opladen en ontladen terwijl ze het knippergedrag ervan in de gaten hielden. Deze experimenten vergemakkelijkten de ontdekking van twee verschillende knipperende mechanismen. "Ons werk is een belangrijke stap in de ontwikkeling van nanostructuren met stabiele, knippervrije eigenschappen voor toepassingen van light-emitting diodes en single-photon bronnen tot zonnecellen, " zei Victor Klimov, LANL-wetenschapper en directeur van het Center for Advanced Solar Photophysics (CASP).

Quantum dots zijn deeltjes met een diameter van 1 tot 10 nanometer. Een nanometer is slechts een miljardste van een meter breed, of ongeveer 1/3000ste van de diameter van een mensenhaar. Bij deze kleine afmetingen, de regels van de kwantumfysica stellen wetenschappers in staat om deeltjes te produceren met fijn afstembare, grootte-afhankelijke elektronische en optische eigenschappen. Samen met het feit dat ze kunnen worden vervaardigd door middel van gemakkelijke natchemische technieken, hun kwantumkarakter maakt deze stippen aantrekkelijke materialen voor een breed scala aan toepassingen.

Nanokristal-kwantumdots zijn al tientallen jaren actief op het gebied van onderzoek. De kleur die ze produceren wanneer ze worden geëxciteerd door lichtabsorptie of elektrische stroom, kan nauwkeurig worden afgestemd van het infrarood via het zichtbare tot het ultraviolette spectrum, en ze zijn goedkoop en gemakkelijk te maken.

Tegenover deze voordelen staat een nadeel:optische eigenschappen van kwantumdots kunnen in de loop van de tijd willekeurig variëren. Misschien, de meest dramatische manifestatie van deze variatie is het 'knipperen' van de kwantumstip.

Aanvullend, indien geactiveerd door elektrische stroom of licht, ze worden gekenmerkt door een effect dat bekend staat als Auger-recombinatie en dat zowel concurreert met lichtemissie in lichtemitterende diodes als de stroomoutput in zonnecellen vermindert. Zowel knipperen als Auger-recombinatie verminderen de efficiëntie van kwantumdots, en het beheersen ervan is de focus geweest van intensief onderzoek.

Om het mechanisme dat verantwoordelijk is voor het knipperen te onderzoeken, Christoffel Galland, postdoctoraal onderzoeker in CASP, samen met medewerkers van het Center for Integrated Nanotechnologies (CINT) en CASP ontwikkelden ze een nieuw spectro-elektrochemisch experiment waarmee ze een enkele kwantumdot controleerbaar konden opladen en ontladen terwijl ze het knippergedrag ervan in de gaten hielden. Het is dit werk dat wordt beschreven in het Nature-artikel. Het belangrijkste resultaat is de ontdekking van twee verschillende knippermechanismen.

De eerste is consistent met het traditionele concept van quantum-dot knipperen, dat is, het willekeurig elektrisch laden en ontladen van de kern van de stip. Bij dit model is een geladen toestand is "donker" vanwege de zeer efficiënte niet-radiatieve Auger-recombinatie.

Het tweede mechanisme was een verrassing; de meeste kwantumstippen knipperen vanwege het vullen en legen van een oppervlaktedefect "val" op de stip. Indien niet bezet, deze val onderschept een "heet" elektron dat anders fotonenemissie zou produceren, waardoor er een knippering ontstaat. Met verder onderzoek naar de fotofysische eigenschappen van kwantumstippen, de wetenschappers hopen een alomvattend theoretisch model van dit fenomeen te kunnen bieden.

"De nieuwe spectro-elektrochemische techniek met enkelvoudige nanokristallen die hier is ontwikkeld, kan gemakkelijk worden uitgebreid om het effect van opladen in een breed scala aan nanostructuren te bestuderen, waaronder koolstofnanobuizen en nanodraden, " zei Han Htoon, een CINT-stafwetenschapper die aan het onderzoek heeft meegewerkt. "Ik geloof dat het een belangrijke nieuwe mogelijkheid voor CINT zal worden."

Experimenten werden uitgevoerd bij CINT, een US Department of Energy Office of Science User Facility en Nanoscale Science Research Center. De nadruk ligt op het verkennen van het pad van wetenschappelijke ontdekking naar de integratie van nanostructuren in de micro- en macrowereld.