Квантовые точки — это искусственные наночастицы из полупроводникового материала, состоящие всего из нескольких тысяч атомов. Из-за небольшого количества атомов свойства квантовой точки находятся между характеристиками отдельных атомов или молекул и объемного материала с огромным количеством атомов. Изменяя размер и форму наночастиц, можно точно настроить их электронные и оптические свойства — то, как электроны связываются и движутся через материал, а также как свет поглощается и излучается им.
Благодаря все более точному контролю размера и формы наночастиц, количество коммерческих приложений выросло. Те, которые уже доступны, включают лазеры, светодиоды и телевизоры с технологией квантовых точек.
Однако существует проблема, которая может снизить эффективность устройств или приборов, использующих этот наноматериал в качестве активной среды. Когда свет поглощается материалом, электроны переходят на более высокие энергетические уровни, а когда они возвращаются в свое основное состояние, каждый из них может испустить фотон обратно в окружающую среду. В обычных квантовых точках обратный путь электрона к его фундаментальному состоянию может быть нарушен различными квантовыми явлениями, задерживающими излучение света наружу.
Заключение электронов в тюрьму таким способом, известным как «темное состояние», замедляет излучение света, в отличие от пути, который позволяет им быстро вернуться в основное состояние и, следовательно, излучать свет более эффективно и напрямую («яркое состояние» ).
Эта задержка может быть меньше в новом классе наноматериалов, сделанных из перовскита, что в результате вызывает значительный интерес у исследователей в области материаловедения.
Исследование, проведенное учеными из химического и физического институтов Университета Кампинаса (UNICAMP) в штате Сан-Паулу, Бразилия, в сотрудничестве с учеными из Мичиганского университета в Соединенных Штатах, сделало успехи в этом направлении, предоставив новый понимание фундаментальной физики квантовых точек перовскита. Статья об исследовании опубликована в Science Advances .
«Мы использовали когерентную спектроскопию, которая позволила нам проанализировать отдельно поведение электронов в каждом наноматериале в ансамбле из десятков миллиардов наноматериалов. Исследование является новаторским, поскольку оно объединяет относительно новый класс наноматериалов — перовскит — с полностью новаторский метод обнаружения «, — сказал Агенсии FAPESP Ласаро Падилья Младший, главный исследователь проекта с бразильской стороны.
«Мы смогли проверить выравнивание энергии между ярким состоянием [связанное с триплетами] и темным состоянием [связанное с синглетами], показывая, как это выравнивание зависит от размера наноматериала. Мы также сделали открытия, касающиеся взаимодействия между этими состояниями , открывая возможности для использования этих систем в других областях технологий, таких как квантовая информация », — сказал Падилья.
«Благодаря кристаллической структуре перовскита уровень яркой энергии делится на три части, образуя триплет. Это обеспечивает различные пути для возбуждения и возврата электронов в основное состояние. Наиболее поразительным результатом исследования стал анализ время жизни каждого из трех ярких состояний и характеристики сигнала, излучаемого образцом, мы получили свидетельство того, что темное состояние присутствует, но находится на более высоком энергетическом уровне, чем два из трех ярких состояний. Это означает, что когда свет светится на образце возбужденные электроны захватываются только в том случае, если они занимают самый высокий яркий уровень, а затем переходят в темное состояние . Если они занимают более низкие светлые уровни, они возвращаются в основное состояние более эффективно ».
Чтобы изучить, как электроны взаимодействуют со светом в этих материалах, группа использовала многомерную когерентную спектроскопию (MDCS), в которой пакет ультракоротких лазерных импульсов (каждый длительностью около 80 фемтосекунд, или 80 квадриллионных долей секунды) направляется на образец перовскита. охлажден до минус 269 градусов по Цельсию.
Метод MDCS можно использовать для одновременного анализа миллиардов наночастиц и для различения различных семейств наночастиц, присутствующих в образце.
«Полученные результаты очень важны, поскольку знание оптических свойств материала и того, как ведут себя его электроны, открывает возможности для развития новых технологий в полупроводниковой оптике и электронике. следующее поколение телевизоров «, — сказал Ногейра.