Een internationaal team van onderzoekers van ETH Zürich, IBM Research Zürich, Empa en vier Amerikaanse onderzoeksinstellingen hebben de verklaring gevonden waarom een ​​klasse nanokristallen die de afgelopen jaren intensief is bestudeerd, in zulke ongelooflijk heldere kleuren schittert. De nanokristallen bevatten cesium-loodhalogenideverbindingen die zijn gerangschikt in een perovskietroosterstructuur.

Drie jaar geleden, Maksym Kovalenko, een professor aan de ETH Zürich en Empa, erin geslaagd om nanokristallen - of kwantumdots - te creëren, zoals ze ook bekend zijn - van dit halfgeleidermateriaal. "Deze kleine kristallen hebben bewezen extreem heldere en snel uitzendende lichtbronnen te zijn, helderder en sneller dan elk ander type kwantumpunt dat tot nu toe is bestudeerd, ", zegt Kovalenko. Door de samenstelling van de chemische elementen en de grootte van de nanodeeltjes te variëren, hij slaagde er ook in om een ​​verscheidenheid aan nanokristallen te produceren die oplichten in de kleuren van het hele zichtbare spectrum. Deze quantum dots worden dus ook behandeld als componenten voor toekomstige light-emitting diodes en displays.

In een studie gepubliceerd in de meest recente editie van het wetenschappelijke tijdschrift Natuur , het internationale onderzoeksteam onderzocht deze nanokristallen individueel en tot in detail. De wetenschappers konden bevestigen dat de nanokristallen extreem snel licht uitstralen. Eerder bestudeerde kwantumstippen zenden doorgaans licht uit rond 20 nanoseconden nadat ze zijn opgewonden bij kamertemperatuur, wat al heel snel is. "Echter, cesium-loodhalogenide-kwantumdots stralen al na één nanoseconde licht uit bij kamertemperatuur, " legt Michael Becker uit, eerste auteur van de studie. Hij is een doctoraatsstudent aan de ETH Zürich en voert zijn doctoraatsproject uit bij IBM Research.

Elektronen-gatpaar in een aangeslagen energietoestand

Begrijpen waarom cesium-loodhalogenide-kwantumstippen niet alleen snel maar ook erg helder zijn, betekent duiken in de wereld van individuele atomen, lichtdeeltjes (fotonen) en elektronen. "Je kunt een foton gebruiken om halfgeleider nanokristallen te exciteren, zodat een elektron zijn oorspronkelijke plaats in het kristalrooster verlaat, een gat achterlatend, " legt David Norris uit, Hoogleraar materiaalkunde aan de ETH Zürich. Het resultaat is een elektron-gatpaar in een aangeslagen energietoestand. Als het elektron-gat paar terugkeert naar zijn energiegrondtoestand, licht wordt uitgestraald.

Onder bepaalde omstandigheden, verschillende opgewonden energietoestanden zijn mogelijk; in veel materialen, de meest waarschijnlijke van deze staten wordt een donkere genoemd. "In zo'n donkere staat, het elektronengatpaar kan niet onmiddellijk terugkeren naar zijn energiegrondtoestand en daarom wordt de lichtemissie onderdrukt en treedt vertraagd op. Dit beperkt de helderheid", zegt Rainer Mahrt, een wetenschapper bij IBM Research.

Geen donkere staat

De onderzoekers konden aantonen dat de cesium-loodhalogenide-kwantumdots verschillen van andere kwantumdots:hun meest waarschijnlijke opgewonden energietoestand is geen donkere toestand. Opgewonden elektron-gatparen bevinden zich veel vaker in een toestand waarin ze onmiddellijk licht kunnen uitstralen. "Dit is de reden dat ze zo helder schijnen, ' zegt Norris.

De onderzoekers kwamen tot deze conclusie met behulp van hun nieuwe experimentele gegevens en met behulp van theoretisch werk onder leiding van Alexander Efros, een theoretisch natuurkundige aan het Naval Research Laboratory in Washington. Hij is een pionier op het gebied van kwantumdotonderzoek en, 35 jaar geleden, was een van de eerste wetenschappers die uitlegde hoe traditionele kwantumstippen van halfgeleiders werken.

Goed nieuws voor gegevensoverdracht

Omdat de onderzochte cesium-loodhalogenide-kwantumdots niet alleen helder maar ook goedkoop te produceren zijn, kunnen ze worden toegepast in televisieschermen, met inspanningen van verschillende bedrijven, in Zwitserland en wereldwijd. "Ook, omdat deze kwantumstippen snel fotonen kunnen uitzenden, ze zijn van bijzonder belang voor gebruik in optische communicatie binnen datacenters en supercomputers, waar snel, kleine en efficiënte componenten staan ​​centraal, ", zegt Mahrt. Een andere toekomstige toepassing zou de optische simulatie van kwantumsystemen kunnen zijn, wat van groot belang is voor fundamenteel onderzoek en materiaalwetenschap.

ETH-hoogleraar Norris is ook geïnteresseerd om de nieuwe kennis te gebruiken voor de ontwikkeling van nieuwe materialen. "Omdat we nu begrijpen waarom deze kwantumstippen zo helder zijn, we kunnen ook denken aan het engineeren van andere materialen met vergelijkbare of zelfs betere eigenschappen, " hij zegt.