Quantum dots zijn door de mens gemaakte nanodeeltjes van halfgeleidend materiaal die slechts een paar duizend atomen bevatten. Door het kleine aantal atomen, de eigenschappen van een quantum dot liggen tussen die van enkele atomen of moleculen en bulkmateriaal met een enorm aantal atomen. Door de grootte en vorm van de nanodeeltjes te veranderen, het is mogelijk om hun elektronische en optische eigenschappen te verfijnen - hoe elektronen zich binden en door het materiaal bewegen, en hoe licht erdoor wordt geabsorbeerd en uitgestraald.

Dankzij de steeds verfijndere controle van de grootte en vorm van de nanodeeltjes, het aantal commerciële toepassingen is gegroeid. Tot de reeds beschikbare lasers behoren LED's, en tv's met quantum dot-technologie.

Echter, er is een probleem dat de efficiëntie kan aantasten van apparaten of apparaten die dit nanomateriaal als actief medium gebruiken. Wanneer licht wordt geabsorbeerd door een materiaal, de elektronen worden gepromoveerd tot hogere energieniveaus, en wanneer ze terugkeren naar hun fundamentele staat, elk kan een foton terugsturen naar de omgeving. In conventionele kwantumstippen kan de terugkeer van het elektron naar zijn fundamentele toestand worden verstoord door verschillende kwantumverschijnselen, het vertragen van de emissie van licht naar buiten.

De opsluiting van elektronen op deze manier, bekend als de "donkere staat, " vertraagt ​​de emissie van licht, in tegenstelling tot het pad waardoor ze snel terugkeren naar de fundamentele toestand en dus efficiënter en directer licht kunnen uitstralen ("bright state").

Deze vertraging kan korter zijn in een nieuwe klasse nanomateriaal gemaakt van perovskiet, die daardoor grote belangstelling wekt bij onderzoekers in de materiaalkunde.

Een studie uitgevoerd door onderzoekers van de Chemistry and Physics Institutes van de University of Campinas (UNICAMP) in de staat São Paulo, Brazilië, in samenwerking met wetenschappers van de Universiteit van Michigan in de Verenigde Staten, vooruitgang geboekt in deze richting door nieuwe inzichten te verschaffen in de fundamentele fysica van perovskiet-kwantumstippen. Een artikel over het onderzoek is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

"We gebruikten coherente spectroscopie, waarmee we het gedrag van de elektronen in elk nanomateriaal afzonderlijk konden analyseren in een ensemble van tientallen miljarden nanomaterialen. De studie is baanbrekend in zoverre het een relatief nieuwe klasse van nanomaterialen - perovskiet - combineert met een geheel nieuwe detectietechniek, "Lázaro Padilha Junior, hoofdonderzoeker van het project aan Braziliaanse zijde, vertelde Agência FAPESP.

FAPESP ondersteunde het onderzoek via een Young Investigator Grant en een Regular Research Grant toegekend aan Padilha.

"We waren in staat om de energie-uitlijning te verifiëren tussen de heldere staat [geassocieerd met drielingen] en de donkere staat [geassocieerd met singlets], geeft aan hoe deze uitlijning afhangt van de grootte van het nanomateriaal. We hebben ook ontdekkingen gedaan met betrekking tot de interacties tussen deze staten, het openen van mogelijkheden voor het gebruik van deze systemen op andere technologische gebieden, zoals kwantuminformatie, ' zei Padilha.

"Vanwege de kristalstructuur van perovskiet, het niveau van heldere energie wordt in drieën gedeeld, een drieling vormen. Dit biedt verschillende paden voor excitatie en voor de elektronen om terug te keren naar de fundamentele toestand. Het meest opvallende resultaat van het onderzoek was dat door het analyseren van de levensduur van elk van de drie heldere toestanden en de kenmerken van het signaal dat door het monster wordt uitgezonden, we bewijs hebben verkregen dat de donkere toestand aanwezig is maar zich op een hoger energieniveau bevindt dan twee van de drie heldere staten. Dit betekent dat wanneer er licht op het monster schijnt, de aangeslagen elektronen alleen worden opgesloten als ze het hoogste heldere niveau bezetten en vervolgens worden verschoven naar de donkere toestand. Als ze de lagere heldere niveaus bezetten, ze keren efficiënter terug naar de fundamentele staat."

Om te bestuderen hoe elektronen interageren met licht in deze materialen, de groep gebruikte multidimensionale coherente spectroscopie (MDCS), waarbij een uitbarsting van ultrakorte laserpulsen (elk ongeveer 80 femtoseconden, of 80 biljardste van een seconde) wordt gestraald naar een monster van perovskiet dat is gekoeld tot min 269 graden Celsius.

"De pulsen bestralen het monster met strak gecontroleerde intervallen. Door de intervallen te wijzigen en het door het monster uitgestraalde licht te detecteren als een functie van het interval, we kunnen de elektron-licht-interactie en de dynamiek ervan analyseren met een hoge temporele precisie, het in kaart brengen van de typische interactietijden, de energieniveaus waarmee ze koppelen, en de interacties met andere deeltjes, ' zei Padilha.

De MDCS-techniek kan worden gebruikt om miljarden nanodeeltjes tegelijk te analyseren en om onderscheid te maken tussen verschillende families van nanodeeltjes die in het monster aanwezig zijn.

Het experimentele systeem is ontwikkeld door een team onder leiding van Steven Cundiff, hoofdonderzoeker voor de studie aan de Universiteit van Michigan. Sommige metingen zijn gedaan door Diogo Almeida, een voormalig lid van het team van Cundiff en nu in het ultrasnelle spectroscopielaboratorium van UNICAMP met een postdoctorale beurs van FAPESP onder toezicht van Padilha.

Quantum dots werden gesynthetiseerd door Luiz Gustavo Bonato, een doctoraat kandidaat bij UNICAMP's Chemistry Institute. "De zorg die Bonato besteedde aan het voorbereiden van de kwantumstippen en zijn protocol waren van fundamenteel belang, zoals blijkt uit hun kwaliteit en grootte, en door de eigenschappen van het nanometrische materiaal, " zei Ana Flávia Nogueira, co-hoofdonderzoeker voor de studie in Brazilië. Nogueira is een professor aan het Chemistry Institute (IQ-UNICAMP) en hoofdonderzoeker voor Research Division 1 bij het Center for Innovation in New Energies (CINE), een Engineering Research Center (ERC) opgericht door FAPESP en Shell.

"De verkregen resultaten zijn erg belangrijk omdat kennis van de optische eigenschappen van het materiaal en hoe de elektronen zich gedragen, kansen biedt voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën in halfgeleideroptica en elektronica. De opname van perovskiet is hoogstwaarschijnlijk het meest onderscheidende kenmerk van de volgende generatie televisietoestellen, ' zei Nogueira.