Eerste kwantumbeperking bereikt zonder fysieke inkrimping

Kwantumbeperking is een fysiek effect dat optreedt wanneer de grootte van een materiaal – meestal een halfgeleider of geleider – wordt gereduceerd tot het nanoschaal, waardoor de beweging van elektronen of gaten wordt beperkt.

Dit is nuttig omdat opsluiting van elektronen tot zeer kleine ruimtes ervoor zorgt dat hun energieniveaus discreet worden in plaats van continu, waardoor de elektronische en optische eigenschappen van het materiaal worden gewijzigd.

De fotoluminescentie (PL) -prestaties van halfgeleiders kunnen bijvoorbeeld worden verbeterd door hun grootte of effectieve conjugatielengte te verminderen-de afstand waarover π-elektronen vrij kunnen bewegen door een systeem van enkele en dubbele bindingen-om kwantumstippen te vormen. Deze stippen, zoals grafeen-, koolstof- en polymeer kwantumstippen, vertonen het kwantumbeperkingseffect.

Hoewel de kwantumbeperking al lang is bereikt door de fysieke grootte van materialen te verminderen, hebben Chinese onderzoekers nu het fenomeen voor het eerst aangetoond door de straal van een exciton te moduleren – een gebonden elektronen -gat quasiparticle – zonder het materiaal zelf te krimpen.

Deze prestatie, gemeld in Cell meldt fysieke wetenschapmarkeert de eerste keer dat kwantumbeperking is bereikt zonder fysiek inkrimping.

Om deze doorbraak te bereiken, heeft een team geleid door Prof. Dou Xincun bij het Xinjiang Technical Institute of Physics and Chemistry of the Chinese Academy of Sciences een nieuw covalent organisch raamwerk (COF) gesyntheteerd – een kristallijn materiaal gemaakt van een lichtelement zoals koolstof, waterstof, stikstof of oxygen, dat kan worden aangepast op het moleculair niveau.

Met behulp van het nieuwe COF-de trans-1,4-diaminocyclohexaan (TDACh) gedesideerd-hebben de onderzoekers op cyclohexaan gebaseerde linkers ingevoegd als conjugatie “breekpunten”, daarmee engineering π-geconjugeerde domeinen die intrinsieke exciton-opsluiting op de moleculaire schaal mogelijk maken.

De nieuwe COF vertoonde uitzonderlijke PL-eigenschappen, met een PL-kwantumopbrengst van 73%-die alle eerder gerapporteerde op IMINE gebaseerde COF’s presteren.

Analyse onthulde dat TDACh-COF mist op lange afstand π-conjugatie, waardoor exciton-diffusie en migratie effectief wordt beperkt. De excitonen blijven gelokaliseerd in de bouwstenen van het materiaal en recombinatief, wat resulteert in sterke PL -prestaties. Dit bevestigt dat kwantumbeperking inderdaad in de COF is opgetreden zonder fysieke inkrimping te vereisen.

Door gebruik te maken van deze unieke eigenschappen, ontwikkelde het team TDACh-COF tot een PL-probe die in staat om zenuwmiddelen te detecteren op delen per miljard niveaus. Deze applicatie heeft gebruik van efficiënte PL -blus die wordt geactiveerd door imine -protonatie. Tijdelijke spectroscopiestudies toonden verder aan dat imine -protonatie de inherente kwantumbeperking verstoort, wat leidt tot significante PL -blussen.

De bevindingen overbruggen een kritieke kloof tussen COF’s en commerciële PL -materialen, waarbij de weg wordt vrijgemaakt voor COF’s die kunnen worden gebruikt in verlichtingsapparatuur, opto -elektronische apparatuur en chemische sensoren.