Nieuwe methode integreert kwantumdots met metasurfaces voor verbeterde luminescentie

Een onderzoek gepubliceerd in Nano-brieven demonstreert het gebruik van kwantumdots om metasurfaces te creëren, waardoor twee objecten in dezelfde ruimte kunnen bestaan.

Onderzoekers van de Pohang University of Science and Technology (POSTECH) gebruikten Nanoimprint Lithography (NIL) om metasurfaces te vervaardigen ingebed met kwantumdots, waardoor hun luminescentie-efficiëntie werd verbeterd. Het team bestond uit professor Junsuk Rho van de afdeling Werktuigbouwkunde, de afdeling Chemische Technologie en de afdeling Elektrotechniek, Ph.D. kandidaten Minsu Jeong, Byoungsu Ko en Jaekyung Kim van de afdeling Werktuigbouwkunde, en Chunghwan Jung, een Ph.D. kandidaat, van de afdeling Chemische Technologie.

NIL, een proces voor het maken van optische metasurfaces, maakt gebruik van patroonstempels om snel ingewikkelde patronen op nanometerschaal (nm) over te brengen. Deze methode biedt kostenvoordelen ten opzichte van elektronenbundellithografie en andere processen. Het heeft het voordeel dat het de creatie van metasurfaces mogelijk maakt met behulp van materialen die niet beschikbaar zijn in conventionele processen.

Metasurfaces zijn onlangs het middelpunt geweest van uitgebreid onderzoek vanwege hun vermogen om de polarisatie en emissierichting van licht van kwantumdots te controleren.

Quantum dots, halfgeleiderdeeltjes op nanoschaal, zijn zeer efficiënte lichtzenders die licht op precieze golflengten kunnen uitzenden. Hierdoor worden ze veel gebruikt in toepassingen als QLED’s en quantum computing. Conventionele processen kunnen echter geen kwantumdots in metasurfaces inbedden.

Als gevolg hiervan omvatte onderzoek vaak het afzonderlijk fabriceren van metasurfaces en kwantumdots en deze vervolgens te combineren, wat beperkingen oplegt aan het beheersen van de luminescentie van de kwantumdots.

In deze studie integreerden de onderzoekers kwantumdots met titaniumdioxide (TiO₂), een materiaal dat in het NIL-proces wordt gebruikt om een ​​metasurface te creëren. In tegenstelling tot conventionele methoden, waarbij het metasurface en de kwantumstippen afzonderlijk worden gefabriceerd voordat ze worden gecombineerd, worden bij deze benadering de kwantumstippen direct in het metasurface ingebed tijdens de creatie ervan.

Het resulterende metasurface verbetert het aandeel fotonen dat wordt uitgezonden door de kwantumdots en dat koppelt aan de resonantiemodus van het metasurface. Deze vooruitgang zorgt voor een effectievere controle over de specifieke richting van het licht dat door de kwantumdots wordt uitgezonden in vergelijking met eerdere methoden.

Experimenten hebben aangetoond dat hoe meer fotonen worden uitgezonden door de kwantumstippen die zijn gekoppeld aan de resonantiemodi van het metasurface, hoe hoger de luminescentie-efficiëntie. Het metasurface van het team bereikte een tot 25 keer grotere luminescentie-efficiëntie vergeleken met een eenvoudige coating van kwantumdots.

Professor Rho, die het onderzoek leidde, zei: “Het gebruik van door luminescentie gecontroleerde metasurfaces zal scherpere, helderdere weergaven en nauwkeurigere, gevoeligere biosensoren mogelijk maken. Verder onderzoek zal ons in staat stellen de luminescentie effectiever te controleren, wat zal leiden tot vooruitgang op gebieden zoals nanotechnologie. -optische sensoren, opto-elektronische apparaten en quantum dot-displays.”