Heldere halfgeleider nanokristallen die bekend staan ​​als quantum dots geven QLED TV-schermen hun levendige kleuren. Maar pogingen om de intensiteit van dat licht te verhogen, genereren in plaats daarvan warmte, het verminderen van de lichtproducerende efficiëntie van de dots.

Een nieuwe studie legt uit waarom, en de resultaten hebben brede implicaties voor de ontwikkeling van toekomstige kwantum- en fotonica-technologieën waarbij licht elektronen in computers en vloeistoffen in koelkasten vervangt, bijvoorbeeld.

Op een QLED TV-scherm, stippen absorberen blauw licht en veranderen het in groen of rood. Bij de lage energieën waar tv-schermen werken, deze omzetting van licht van de ene kleur naar de andere is vrijwel 100% efficiënt. Maar bij de hogere excitatie-energieën die nodig zijn voor helderdere schermen en andere technologieën, het rendement neemt sterk af. Onderzoekers hadden theorieën over waarom dit gebeurt, maar tot nu toe had niemand het ooit op atomaire schaal waargenomen.

Om meer te weten te komen, wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy gebruikten een snelle "elektronencamera" om te zien hoe stippen binnenkomend hoogenergetisch laserlicht omzetten in hun eigen gloeiende lichtemissies.

De experimenten onthulden dat het binnenkomende hoogenergetische laserlicht elektronen uit de atomen van de stip werpt, en hun corresponderende gaten - lege plekken met positieve ladingen die vrij kunnen bewegen - komen vast te zitten aan het oppervlak van de stip, waardoor ongewenste restwarmte ontstaat.

In aanvulling, elektronen en gaten recombineren op een manier die extra warmte-energie afgeeft. Dit verhoogt het wiebelen van de atomen van de stip, vervormt zijn kristalstructuur en verspilt nog meer energie die had kunnen gaan om de stippen helderder te maken.

"Dit vertegenwoordigt een belangrijke manier waarop energie uit het systeem wordt gezogen zonder dat er licht ontstaat, " zei Aaron Lindenberg, een universitair hoofddocent aan de Stanford University en onderzoeker bij het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences bij SLAC, die de studie leidde met postdoctoraal onderzoeker Burak Guzelturk.

"Proberen te achterhalen wat aan dit proces ten grondslag ligt, is al tientallen jaren onderwerp van studie, " zei hij. "Dit is de eerste keer dat we konden zien wat de atomen eigenlijk aan het doen zijn, terwijl energie in aangeslagen toestand verloren gaat als warmte."

Het onderzoeksteam, waaronder wetenschappers van SLAC, Stanford, de Universiteit van Californië, Berkeley en het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE, beschreef de resultaten in Natuurcommunicatie vandaag.

Het uitzenden van een zuivere, briljante gloed

Ondanks hun kleine formaat - ze hebben ongeveer dezelfde diameter als vier strengen DNA - zijn quantum dot-nanokristallen verrassend complex en sterk ontwikkeld. Ze stralen extreem zuiver licht uit waarvan de kleur kan worden afgestemd door hun grootte aan te passen, vorm, samenstelling en oppervlaktechemie. De kwantumstippen die in deze studie werden gebruikt, zijn meer dan twee decennia geleden uitgevonden, en tegenwoordig worden ze veel gebruikt in heldere, energiezuinige displays en in beeldvormingstools voor biologie en geneeskunde.

Het begrijpen en oplossen van problemen die het efficiënter maken van stippen bij hogere energieën in de weg staan, is op dit moment een zeer hot veld van onderzoek, zei Guzelturk, die bij SLAC experimenten deed met postdoctoraal onderzoeker Ben Cotts.

Eerdere studies waren gericht op hoe de elektronen van de stippen zich gedroegen. Maar in deze studie het team was in staat om de bewegingen van hele atomen te zien, te, met een elektronencamera die bekend staat als MeV-UED. Het raakt monsters met korte pulsen van elektronen met zeer hoge energieën, gemeten in miljoenen elektronvolt (MeV). In een proces dat ultrasnelle elektronendiffractie (UED) wordt genoemd, de elektronen verstrooien van het monster en in detectoren, patronen creëren die onthullen wat zowel elektronen als atomen aan het doen zijn.

Toen het SLAC/Stanford-team het gedrag van kwantumstippen die met verschillende golflengten en intensiteiten van laserlicht waren geraakt, heeft gemeten, UC Berkeley afgestudeerde studenten Dipti Jasrasaria en John Philbin werkten samen met Berkeley theoretisch chemicus Eran Rabani om het resulterende samenspel van elektronische en atomaire bewegingen vanuit een theoretisch standpunt te berekenen en te begrijpen.

"We ontmoetten de onderzoekers vrij vaak, " Zei Rabani. "Ze kwamen met een probleem en we begonnen samen te werken om het te begrijpen. Gedachten gingen heen en weer, maar het kwam allemaal voort uit de experimenten, die een grote doorbraak waren in het kunnen meten wat er gebeurt met het atomaire rooster van de kwantumstippen wanneer het intens wordt opgewonden."

Een toekomst van op licht gebaseerde technologie

De studie werd uitgevoerd door onderzoekers in een DOE Energy Frontier Research Center, Fotonica op thermodynamische limieten, onder leiding van Jennifer Dionne, een Stanford universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering en senior associate vice-provoost van onderzoeksplatforms/gedeelde faciliteiten. Haar onderzoeksgroep werkte samen met de groep van Lindenberg om de experimentele techniek voor het onderzoeken van de nanokristallen te helpen ontwikkelen.

Het uiteindelijke doel van het centrum, Dionne zei, is om fotonische processen aan te tonen, zoals lichtabsorptie en emissie, op de grenzen van wat de thermodynamica toelaat. Dit kan leiden tot technologieën zoals koeling, verwarming, koeling en energieopslag - evenals kwantumcomputers en nieuwe motoren voor verkenning van de ruimte - volledig aangedreven door licht.

"Om fotonische thermodynamische cycli te creëren, je moet precies bepalen hoe licht, warmte, atomen, en elektronen interageren in materialen, " zei Dionne. "Dit werk is opwindend omdat het een ongekende lens biedt voor de elektronische en thermische processen die de efficiëntie van de lichtemissie beperken. De bestudeerde deeltjes hebben al recordkwantumopbrengsten, maar nu is er een weg in de richting van het ontwerpen van bijna perfecte optische materialen." Dergelijke hoge lichtemissie-efficiëntie zou een groot aantal grote futuristische toepassingen kunnen openen, allemaal aangedreven door kleine puntjes die zijn onderzocht met ultrasnelle elektronen.