(PhysOrg.com) -- Aanzienlijke vooruitgang in de toepassing van colloïdale structuren als lichtemitters en lasers kan binnenkort worden gerealiseerd na de ontdekking van zeer snelle fluorescentie-emissiesnelheden in colloïdale nanobloedplaatjes. Deze nanoplaatjes combineren de beste eigenschappen van twee domeinen:de brede afstembaarheid van de absorptie en fotoluminescentie van nanokristallen en de korte vervaltijd van excitonen in kwantumputten. Deze ontdekking, die werd aangekondigd door wetenschappers van het Naval Research Laboratory en Laboratoire de Physique et d'Etude des Matéiaux, UMR8213 van CNRS, ESPCI, suggereert dat de nanobloedplaatjes een belangrijk, nieuw materiaal voor het construeren van afstembare lichtemitterende diodes, laagdrempelige lasers, en fotovoltaïsche zonnecellen. De volledige bevindingen van de studie zijn online gepubliceerd op 23 oktober, 2011, uitgave van het tijdschrift Natuurmaterialen .

Nanobloedplaatjes zijn een nieuwe klasse optische materialen die in wezen atomair vlak zijn, quasi- tweedimensionaal colloïdaal CdSe, cd's, en CdTe-lagen met goed gedefinieerde diktes variërend van 4 tot 11 monolagen. Deze nanobloedplaatjes hebben elektronische eigenschappen van tweedimensionale kwantumputten gevormd door moleculaire bundelepitaxie, en hun dikteafhankelijke absorptie- en emissiespectra worden volledig gecontroleerd door de laagdikte. De zeer hoge ruimtelijke opsluiting van dragers in deze colloïdale structuren, praktisch ontoegankelijk in epitaxiale kwantumputten, gecombineerd met mogelijkheden om zeer dunne, vlakke lagen (tot 1,5 nm) van de halfgeleiders maken de band gap van dit materiaal afstembaar over een bereik van 1,4 eV. De breed afstembare absorptiebandrand, die voornamelijk wordt bepaald door de dikte van de nanoplaatjes, resulteert in breed afstembare emissiespectra.

Sterke verbetering van de elektron-gat Coulomb-interactie vanwege de kleine diëlektrische constante van de omringende media is een andere eigenschap van colloïdale nanobloedplaatjes die noch in bolvormige colloïdale nanokristallen noch in epitaxiale kwantumputten voorkomt. Dit fenomeen vermindert de straal van excitonen aanzienlijk en verkort hun stralingsvervaltijd. In aanvulling, De vorm van nanoplaatjes beïnvloedt de sterkte van de excitonkoppeling met uitgezonden fotonen omdat de tangentiële component van het elektrische veld van het foton zijn waarde niet verandert wanneer het door het oppervlak van de platte nanoplaatjes dringt. Dit verkort ook de fluorescerende vervaltijd in deze structuren.

Eindelijk, de grond-excitontoestanden in quasi-tweedimensionale nanobloedplaatjes kunnen een gigantische oscillatorsterkte-overgang hebben die is verbonden met de coherente beweging van het excitoncentrum van de massa. De overgang van gigantische oscillatorsterkte is een kwantummechanisch fenomeen dat kan worden beschreven als coherente excitatie van het volume, die aanzienlijk groter is dan het volume van het exciton. Het fenomeen werd 50 jaar geleden voorspeld door Rashba. De gigantische overgang van de oscillatorsterkte van de grond-excitontoestand verbetert de absorptiedwarsdoorsnede en verkort de stralingsvervaltijd van het exciton aanzienlijk. In het geval van tweedimensionale structuren, de verbetering is evenredig met de verhouding van het gebied van de coherente beweging van het exciton tot het kwadraat van de Bohr-straal van het exciton.

De onderzoeksteams van Laboratoire de Physique et d'Etude des Matéiaux en NRL ontdekten dat bij kamertemperatuur, de fluorescentielevensduur van CdSe-nanoplaatjes is korter dan die van CdSe-nanokristallen met vergelijkbare kwantumopbrengst en emissiegolflengte. belangrijk, de fluorescentielevensduur van nanobloedplaatjes neemt af met de temperatuur, terwijl hun emissie-intensiteit toeneemt. Een dergelijke temperatuurafhankelijkheid van de fluorescentielevensduur is een unieke signatuur van de gigantische overgang van de oscillatorsterkte, die voorheen alleen werd waargenomen in kwantumputten bij heliumtemperaturen. Bij 6K wordt de stralingsvervaltijd korter dan 1 ns, dat is twee ordes van grootte minder dan voor sferische CdSe-nanokristallen. Dit maakt de nanoplaatjes de snelste colloïdale fluorescente emitters die bekend zijn en suggereert sterk dat ze een gigantische overgang van oscillatorsterkte vertonen.

Toekomstige inspanningen zullen gericht zijn op optimalisatie van deze nanoplaatjesstructuren met als doel de niet-stralingsprocessen die verband houden met het oppervlak te elimineren. De groei van core-shell nanoplatelets zou de eigenschappen en toepassingen van de hier gepresenteerde materialen verder uitbreiden en zou de weg vrijmaken voor de synthese van colloïdale, structuren met meerdere kwantumputjes. Dergelijke structuren zouden onderzoekers in staat moeten stellen ten volle te profiteren van de waargenomen verkorting van de stralingsvervaltijd en afstembaarheid, en de weg wijzen naar toekomstige doorbraken in fotonica, lasers, en andere optische toepassingen van nanobloedplaatjes.