(Phys.org) — Kwantumdots zijn nanostructuren van halfgeleidende materialen die zich net als afzonderlijke atomen gedragen en heel gemakkelijk te produceren zijn. Gezien hun bijzondere eigenschappen, onderzoekers zien enorme potentie voor quantum dots in technologische toepassingen. Voordat dit kan gebeuren, echter, we hebben een beter begrip nodig van hoe de elektronen die erin 'gevangen' zitten zich gedragen. Natuurkundigen uit Dresden hebben onlangs waargenomen hoe elektronen in afzonderlijke kwantumstippen energie absorberen en weer als licht uitstralen. Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

Quantum dots zien eruit als minuscule piramides. Binnen elk van deze nanopiramides bevinden zich altijd slechts één of twee elektronen die in wezen de beperkende muren om hen heen "voelen" en daarom sterk worden beperkt in hun mobiliteit. Wetenschappers van Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), De TU Dresden en het Leibniz Institute for solid State and Materials Research Dresden (IFW) hebben nu de speciale energietoestanden bestudeerd van de elektronen die in individuele kwantumstippen zijn opgesloten.

Scherpe energieniveaus

Het gedrag van elektronen in een materiaal bepaalt in wezen de eigenschappen ervan. Ruimtelijk beperkt zijn in alle drie de ruimtelijke dimensies, elektronen in een nanopiramide kunnen alleen zeer specifieke energieniveaus innemen - daarom worden kwantumstippen ook "kunstmatige atomen" genoemd. Waar deze energieniveaus liggen, hangt af van de chemische samenstelling van het halfgeleidermateriaal en van de grootte van de nanopiramide. "Deze scherp gedefinieerde energieniveaus worden uitgebuit, bijvoorbeeld, in zeer energiezuinige lasers op basis van quantum dots. Het licht wordt geproduceerd wanneer een elektron van een hoger energieniveau naar een lager energieniveau zakt. Het energieverschil tussen de twee niveaus bepaalt de kleur van het licht, " Dr. Stephan Winnerl van HZDR legt uit.

Elektronen zien in individuele kwantumstippen

De onderzoekers in Dresden die samenwerkten met Dr. Winnerl waren onlangs de eersten die erin slaagden om met infrarood licht overgangen tussen energieniveaus in enkele kwantumstippen te scannen. Hoewel, ze konden dit alleen doen nadat ze een bepaalde hindernis hadden overwonnen:terwijl de piramides van indiumarsenide of indium galliumarsenide zich spontaan vormen tijdens een specifieke vorm van kristalgroei, hun grootte varieert binnen een bepaald bereik. Ze bestuderen met infrarood licht, bijvoorbeeld, men verkrijgt wazige signalen omdat elektronen in piramides van verschillende grootte reageren op verschillende infraroodenergieën. Daarom is het zo belangrijk om een ​​gedetailleerd beeld te krijgen van de elektronen die in een enkele kwantumdot zijn opgesloten.

De wetenschappers benaderden deze taak met de speciale methode van scanning near-field microscopie. Laserlicht schijnt op een metalen punt van minder dan 100 nanometer dik, die het licht sterk collimeert tot honderd keer kleiner dan de golflengte van licht, dat is de ruimtelijke resolutielimiet voor "conventionele" optica met lenzen en spiegels. Door dit gecollimeerde licht precies op één piramide te richten, energie wordt gedoneerd aan de elektronen, waardoor ze worden geprikkeld naar een hoger energieniveau. Deze energieoverdracht kan worden gemeten door te kijken naar het infrarode licht dat tijdens dit proces vanaf de punt wordt verstrooid. Hoewel nabij-veldmicroscopie grote signaalverliezen met zich meebrengt, de lichtstraal is nog steeds sterk genoeg om de elektronen in een nanopiramide te exciteren. De methode is ook zo gevoelig dat het een beeld op nanoschaal kan creëren waarin de een of twee elektronen in een kwantumdot duidelijk contrasteren. Op deze manier, Stephan Winnerl en zijn collega's van HZDR, plus natuurkundigen van de TU en IFW Dresden, het gedrag van elektronen in een kwantumstip tot in detail bestudeerd, daardoor bijdragen aan ons begrip van hen.

Infrarood licht van de vrije elektronenlaser

Het infraroodlicht dat in de experimenten werd gebruikt, was afkomstig van de vrije elektronenlaser van HZDR. Deze speciale laser is een ideale infraroodstralingsbron voor dergelijke experimenten omdat de energie van het licht kan worden aangepast om precies overeen te komen met het energieniveau binnen de kwantumstippen. De laser levert ook zo'n intense straling dat het de onvermijdelijke verliezen die inherent zijn aan de methode ruimschoots compenseert.

"Volgende, we zijn van plan om het gedrag van elektronen in kwantumstippen bij lagere temperaturen te onthullen, " zegt Dr. Winnerl. "Van deze experimenten, we hopen nog preciezer inzicht te krijgen in het beperkte gedrag van deze elektronen. Vooral, we willen een veel beter begrip krijgen van hoe de elektronen met elkaar en met de trillingen van het kristalrooster interageren." Dankzij de intense laserflitsen in een brede, vrij te kiezen spectraalbereik, de vrije elektronenlaser biedt ideale omstandigheden voor de methode van near-field microscopie in Dresden, die in het bijzonder profiteert van de nauwe samenwerking met Prof. Lukas Eng van de TU Dresden in het kader van het DRESDEN-concept.