Một phương pháp chấm lượng tử mới để tạo ra ánh sáng hồng ngoại mở ra cơ hội cho laser hồng ngoại trung bình và cảm biến tiết kiệm chi phí.
Một nhóm các nhà nghiên cứu do Philippe Guyot Sionrest, giáo sư vật lý và hóa học tại Đại học Chicago dẫn đầu, mới đây đã phát hiện ra cách tạo ra ánh sáng hồng ngoại thông qua các chấm lượng tử keo, mở ra cánh cửa cho khả năng xác định lại dải hồng ngoại trung (3 đến 5 µm), vì các chấm họ thu được trong lần thử đầu tiên gần như hiệu quả như các phương pháp thông thường hiện có.
Chấm lượng tử keo là các tinh thể/hạt nano bán dẫn có đường kính khoảng 5 đến 20 nm, thường được làm từ cadmium selenide (CdSe), cadmium sulfide (CdS), chì sulfide (PbS), oxit kẽm (ZnO) và indium phosphide (InP). ), có các tính chất quang học và điện tử độc đáo. Sóng điện tử cộng hưởng bên trong các hạt này, giống như sóng âm thanh hoặc ánh sáng trong hộp và nó tạo ra các trạng thái ổn định có thể được điều chỉnh về mặt quang phổ theo kích thước của tinh thể nano.
Các chấm lượng tử tạo ra ánh sáng khả kiến đã được tìm thấy trong các sản phẩm thương mại như điốt phát sáng (LED) và tivi. Nhưng cho đến nay, nếu người ta muốn các chấm lượng tử có thể tạo ra ánh sáng hồng ngoại trung bình thì thường khó đạt được.
Trong khi các phân tử hữu cơ được tạo thành từ các nguyên tử nhẹ, lý tưởng cho thuốc nhuộm và huỳnh quang trong phạm vi khả kiến, chúng không hoạt động tốt trong phạm vi hồng ngoại giữa, nơi các phân tử cũng rung động trong vùng hồng ngoại giữa và nhanh chóng triệt tiêu điện tử. sự kích thích.
Guyot cho biết: Các vật liệu chấm lượng tử bán dẫn vô cơ có thể hòa tan như các phân tử thuốc nhuộm và có các kích thích điện tử có thể điều chỉnh được trong dải hồng ngoại giữa, nhưng chúng bao gồm các nguyên tử nặng dao động ở tần số thấp hơn nhiều, khiến chúng trở thành vật liệu hồng ngoại tốt và có thể xử lý bằng dung dịch”. Sionrest. Đó là điều đã cho chúng tôi ý tưởng nghiên cứu các chấm lượng tử bán dẫn hồng ngoại - nó đã bắt đầu từ 25 năm trước."
Laser hồng ngoại hiện được chế tạo bằng quy trình epit Wax phân tử, mặc dù hiệu quả nhưng lại tốn nhiều công sức và đắt tiền. Do đó, các nhà nghiên cứu muốn tạo ra một phương pháp tốt hơn để hiện thực hóa tia laser hồng ngoại dựa trên các chấm lượng tử.
Cơ học lượng tử và hiệu ứng tầng
Nhóm nghiên cứu quyết định khám phá một kỹ thuật “tầng” được sử dụng rộng rãi để chế tạo tia laser. Để làm được điều này, họ đã tạo ra một loại mực đen được làm từ hàng nghìn tỷ tinh thể nano HgSe/CdSe lõi/vỏ cực nhỏ, phủ lên nó một điện cực dẫn điện, làm bay hơi điện cực dẫn điện thứ hai lên trên và cung cấp năng lượng cho nó.
Phương pháp của họ liên quan đến việc cho một dòng điện chạy qua thiết bị, gửi hàng triệu electron tới thiết bị. Nếu thành công, các electron sẽ đi qua một loạt mức năng lượng khác nhau, tương tự như rơi xuống hàng loạt thác nước. Mỗi khi một electron giảm mức năng lượng, nó sẽ có cơ hội phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng. Nó hoạt động nhờ cơ học lượng tử.
Guyot Sionrest giải thích: "Trong đèn LED xếp tầng, chúng tôi xử lý hai trạng thái của chấm lượng tử: trạng thái cơ bản thấp nhất, tương tự trạng thái s của nguyên tử hydro và trạng thái kích thích đầu tiên, tương tự trạng thái p. ." Khi một electron chuyển từ trạng thái p sang trạng thái s, nó sẽ phát ra ánh sáng hồng ngoại giữa. Độ lệch giữa các điểm cho phép electron chuyển từ trạng thái s này sang trạng thái p ở điểm tiếp theo, v.v.”
Trước sự ngạc nhiên của nhóm, họ đã nhìn thấy ánh sáng trong nỗ lực đầu tiên nhằm tạo ra ánh sáng hồng ngoại thông qua các chấm lượng tử keo. Guyot Sionrest cho biết: “Những nỗ lực đầu tiên đối với phương pháp tạo ra ánh sáng hồng ngoại mới của chúng tôi đã rất hiệu quả và một khi hiệu suất tạo ra ánh sáng bên trong các chấm lượng tử được tăng lên, hiệu suất của chúng sẽ cải thiện theo nhiều bậc độ lớn. Những nguồn sáng này sau đó sẽ có thể đạt được hiệu suất chưa từng có và chi phí thấp."
Guyot Sionrest giải thích: "Việc chuyển đường hầm ưu tiên từ trạng thái s của một chấm lượng tử sang trạng thái p của chấm lượng tử tiếp theo là điều không hề rõ ràng, vì cũng có thể đơn giản chuyển từ trạng thái s của một chấm lượng tử sang trạng thái p của chấm lượng tử tiếp theo." trạng thái s của trạng thái tiếp theo. Ban đầu, chúng tôi nghĩ rằng ưu tiên này sẽ đòi hỏi sự cộng hưởng ở một độ lệch được tinh chỉnh, nhưng theo một cách nào đó vẫn chưa được biết đến, các electron được sắp xếp theo tầng chứ không phải chảy xuống, vì vậy độ lệch không thành vấn đề."
Không có thách thức lớn nào liên quan đến công việc này, vì đây là ứng dụng công trình trước đây của nhóm về chế tạo chấm lượng tử hồng ngoại huỳnh quang trong phòng thí nghiệm và họ đã có kinh nghiệm chế tạo đèn LED hồng ngoại giữa đầu tiên bằng chấm lượng tử và đo chúng. ánh sáng đầu ra.
“Nhưng nó đòi hỏi sự kết hợp đặc biệt giữa các kỹ năng ở các bề mặt hóa học và vật lý.” Guyot Sionrest nói, "nhờ Xinygyu Shen và Ananth Kamath. rất ít nhóm có thể kết hợp các kỹ năng hóa học để tạo ra các chấm lượng tử, các công cụ chế tạo để chế tạo các thiết bị và thiết bị đo hồng ngoại giữa để mô tả đặc điểm của chúng."
Cảm biến khí quang học và laser
Guyot Sionrest cho biết ứng dụng rõ ràng và có khả năng nhất của ánh sáng hồng ngoại được tạo ra thông qua các chấm lượng tử là cảm biến khí quang học: "Việc sản xuất hàng loạt đèn LED chấm lượng tử nhanh và hiệu quả cũng như các máy dò chấm lượng tử nhanh và hiệu quả tương tự sẽ làm cho cảm biến khí quang rẻ hơn nhiều hơn công nghệ bán dẫn hiện tại. Nó cũng sẽ mang lại độ nhạy tốt hơn so với các công nghệ chi phí thấp dựa trên nguồn nhiệt và máy dò nhiệt điện."
Laser có thể là một phần mở rộng của công việc này, nhưng không chắc chắn rằng chúng sẽ được hiện thực hóa. Ngoài ra, các ứng dụng thương mại có thể yêu cầu sử dụng các chấm lượng tử không chứa các nguyên tố độc hại và được kiểm soát như thủy ngân, cadmium và chì.
Xingyu Shen, một sinh viên tốt nghiệp tại Guyot Sionrest, cho biết: “Một phương pháp tiết kiệm chi phí và dễ sử dụng để tạo ra ánh sáng hồng ngoại từ các chấm lượng tử có thể rất hữu ích”.
