Hoewel nanokristallen kleurafstembaarheid bieden en in verschillende technologieën worden gebruikt, vereist het bereiken van verschillende kleuren het gebruik van verschillende nanokristallen voor elke kleur, en dynamisch schakelen tussen kleuren is niet mogelijk geweest.

Een team van onderzoekers van het Instituut voor Chemie en het Centrum voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem, waaronder afgestudeerde student Yonatan Ossia en zeven andere leden, en geleid door prof. Uri Banin, hebben nu een innovatieve oplossing bedacht om dit probleem.

Door een systeem te ontwikkelen van een "kunstmatig molecuul" gemaakt van twee gekoppelde halfgeleider nanokristallen die licht in twee verschillende kleuren uitzenden, werd snelle en onmiddellijke kleurwisseling aangetoond. Het artikel met de titel "Elektrisch veld geïnduceerde kleuromschakeling in colloïdale kwantumdotmoleculen bij kamertemperatuur" werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials .

Gekleurd licht en de afstembaarheid ervan vormen de basis voor veel essentiële moderne technologieën:van verlichting, displays, snelle glasvezelcommunicatienetwerken en meer. Wanneer kleuruitstralende halfgeleiders naar de nanoschaal worden gebracht (nano – een miljardste van een meter, honderdduizend keer kleiner dan een mensenhaar), komt er een effect in beeld dat kwantumopsluiting wordt genoemd:het veranderen van de grootte van het nanokristal verandert de kleur van het uitgezonden licht. . Zo kunnen heldere lichtbronnen worden verkregen die het gehele zichtbare spectrum bestrijken.

Vanwege de unieke kleurafstembaarheid van dergelijke nanokristallen en hun gemakkelijke fabricage en manipulatie met behulp van natte chemie, worden ze al op grote schaal gebruikt in commerciële displays van hoge kwaliteit, waardoor ze een uitstekende kleurkwaliteit hebben en aanzienlijke energiebesparende eigenschappen.

Tot op de dag van vandaag vereiste het verkrijgen van verschillende kleuren (zoals nodig voor de verschillende RGB-pixels) echter het gebruik van verschillende nanokristallen voor elke specifieke kleur, en dynamisch schakelen tussen de verschillende kleuren was niet mogelijk.

Hoewel kleurafstemming van afzonderlijke colloïdale nanokristallen die zich gedragen als "kunstmatige atomen" eerder is onderzocht en geïmplementeerd in prototypes van opto-elektronische apparaten, is het actief veranderen van kleuren een uitdaging geweest vanwege de verminderde helderheid die inherent met het effect gepaard gaat, wat slechts een kleine verschuiving van de kleur opleverde. .

Het onderzoeksteam overwon deze beperking door een nieuw molecuul te creëren met twee emissiecentra, waar een elektrisch veld de relatieve emissie vanuit elk centrum kan afstemmen, waarbij de kleur verandert, maar zonder de helderheid te verliezen. Het kunstmatige molecuul kan zo worden gemaakt dat een van de nanokristallen waaruit het bestaat, is afgestemd om "groen" licht uit te zenden, terwijl het andere "rood" licht is. De emissie van dit nieuwe kunstmatige molecuul dat twee kleuren uitzendt, is gevoelig voor externe spanning die een elektrisch veld induceert:de ene polariteit van het veld induceert de emissie van licht vanuit het "rode" centrum, en als het veld naar de andere polariteit wordt overgeschakeld, wordt de kleuremissie omgeschakeld onmiddellijk naar "groen" en omgekeerd.

Dit fenomeen van kleurverandering is omkeerbaar en onmiddellijk, omdat er geen structurele beweging van het molecuul bij betrokken is. Hierdoor kunt u elk van de twee kleuren, of een combinatie daarvan, verkrijgen door eenvoudigweg de juiste spanning op het apparaat aan te leggen.

Dit vermogen om de kleurafstemming in opto-elektronische apparaten nauwkeurig te regelen met behoud van de intensiteit, ontsluit nieuwe mogelijkheden op verschillende gebieden, waaronder op het gebied van beeldschermen, verlichting en opto-elektronische apparaten op nanoschaal met instelbare kleuren, en ook als een hulpmiddel voor gevoelige velddetectie voor biologische toepassingen en neurowetenschappen om te volgen de hersenactiviteit. Bovendien maakt het het mogelijk emissiekleuren actief af te stemmen in bronnen van afzonderlijke fotonen, die belangrijk zijn voor toekomstige kwantumcommunicatietechnologieën.

Prof. Uri Banin van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem legde uit:"Ons onderzoek is een grote sprong voorwaarts op het gebied van nanomaterialen voor de opto-elektronica. Dit is een belangrijke stap in onze uiteenzetting van het idee van 'nanokristalchemie', dat slechts een paar jaar geleden in ons onderzoek werd gelanceerd. groep, waar de nanokristallen bouwstenen zijn van kunstmatige moleculen met opwindende nieuwe functionaliteiten. Het zo snel en efficiënt kunnen schakelen op nanoschaal zoals we hebben bereikt, heeft enorme mogelijkheden. Het zou een revolutie teweeg kunnen brengen in geavanceerde beeldschermen en kleurschakelbare bronnen van afzonderlijke fotonen kunnen creëren. "

Door dergelijke quantum dot-moleculen met twee emissiecentra te gebruiken, kunnen verschillende specifieke kleuren licht met dezelfde nanostructuur worden gegenereerd.

Deze doorbraak opent deuren voor de ontwikkeling van gevoelige technologieën voor het detecteren en meten van elektrische velden. Het maakt ook nieuwe beeldschermontwerpen mogelijk waarbij elke pixel individueel kan worden aangestuurd om verschillende kleuren te produceren, waardoor het standaard RGB-beeldschermontwerp wordt vereenvoudigd tot een kleinere basis van pixels, wat het potentieel heeft om de resolutie en energiebesparingen van toekomstige commerciële beeldschermen te verhogen.

Deze vooruitgang op het gebied van door elektrische velden geïnduceerde kleurwisseling heeft een enorm potentieel voor het transformeren van apparaataanpassing en velddetectie, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor opwindende toekomstige innovaties.

Meer informatie: Door elektrisch veld geïnduceerde kleurverandering in colloïdale quantum dot-moleculen bij kamertemperatuur, Natuurmaterialen (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01606-0

Journaalinformatie: Natuurmaterialen

Aangeboden door de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem