Het gebruik van perovskiet zal een belangrijk kenmerk zijn van de volgende generatie elektronische apparaten

Quantum dots zijn door de mens gemaakte nanodeeltjes van halfgeleidend materiaal die slechts een paar duizend atomen bevatten. Vanwege het kleine aantal atomen liggen de eigenschappen van een kwantumpunt tussen die van enkele atomen of moleculen en bulkmateriaal met een enorm aantal atomen. Door de grootte en vorm van de nanodeeltjes te veranderen, is het mogelijk om hun elektronische en optische eigenschappen te verfijnen – hoe elektronen zich binden en door het materiaal bewegen, en hoe licht erdoor wordt geabsorbeerd en uitgezonden.

Dankzij een steeds verfijndere controle van de grootte en vorm van de nanodeeltjes is het aantal commerciële toepassingen toegenomen. Degenen die al beschikbaar zijn, zijn onder meer lasers, leds en tv’s met quantum dot-technologie.

Er is echter een probleem dat de efficiëntie van apparaten of apparaten die dit nanomateriaal als actief medium gebruiken, kan aantasten. Wanneer licht wordt geabsorbeerd door een materiaal, worden de elektronen gepromoveerd tot hogere energieniveaus, en wanneer ze terugkeren naar hun fundamentele toestand, kan elk een foton terugsturen naar de omgeving. In conventionele kwantumstippen kan de terugkeer van het elektron naar zijn fundamentele toestand worden verstoord door verschillende kwantumverschijnselen, waardoor de emissie van licht naar buiten wordt vertraagd.

De opsluiting van elektronen op deze manier, bekend als de ‘donkere toestand’, vertraagt ​​de emissie van licht, in tegenstelling tot het pad waardoor ze snel terugkeren naar de fundamentele toestand en dus licht efficiënter en directer uitzenden (‘heldere toestand’). ).

Deze vertraging kan korter zijn in een nieuwe klasse nanomaterialen gemaakt van perovskiet, die daardoor grote belangstelling wekt bij onderzoekers in de materiaalkunde.

Een studie uitgevoerd door onderzoekers van de Chemistry and Physics Institutes van de Universiteit van Campinas (UNICAMP) in de staat São Paulo, Brazilië, in samenwerking met wetenschappers van de Universiteit van Michigan in de Verenigde Staten, boekte vooruitgang in deze richting door nieuwe inzichten in de fundamentele fysica van perovskiet-kwantumstippen. Een artikel over de studie is gepubliceerd in Science Advances​

“We gebruikten coherente spectroscopie, waardoor we het gedrag van de elektronen in elk nanomateriaal afzonderlijk konden analyseren in een ensemble van tientallen miljarden nanomaterialen. Het onderzoek is baanbrekend in zoverre het een relatief nieuwe klasse nanomaterialen – perovskiet – combineert met een volledig nieuwe detectietechniek, “vertelde Lázaro Padilha Junior, hoofdonderzoeker van het project aan de Braziliaanse kant, aan Agência FAPESP.

FAPESP ondersteunde het onderzoek via een Young Investigator Grant en een Regular Research Grant die aan Padilha werd toegekend.

“We waren in staat om de energie-uitlijning tussen de heldere toestand te verifiëren [associated with triplets] en de donkere staat [associated with singlets], wat aangeeft hoe deze uitlijning afhangt van de grootte van het nanomateriaal. We hebben ook ontdekkingen gedaan met betrekking tot de interacties tussen deze staten, waardoor kansen ontstaan ​​voor het gebruik van deze systemen in andere gebieden van technologie, zoals kwantuminformatie, “zei Padilha.

“Dankzij de kristalstructuur van perovskiet verdeelt het niveau van heldere energie zich in drieën, waardoor een triplet ontstaat. Dit biedt verschillende wegen voor excitatie en voor de elektronen om terug te keren naar de fundamentele toestand. Het meest opvallende resultaat van de studie was dat door analyse de levensduur van elk van de drie heldere toestanden en de karakteristieken van het signaal dat door het monster wordt uitgezonden, hebben we bewijs verkregen dat de donkere toestand aanwezig is maar zich op een hoger energieniveau bevindt dan twee van de drie heldere toestanden. Dit betekent dat wanneer er licht wordt geschenen op het monster worden de aangeslagen elektronen alleen gevangen als ze het hoogste heldere niveau innemen en vervolgens worden verschoven naar de donkere toestand. Als ze de lagere heldere niveaus bezetten, keren ze efficiënter terug naar de fundamentele toestand. “

Om te bestuderen hoe elektronen interageren met licht in deze materialen, gebruikte de groep multidimensionale coherente spectroscopie (MDCS), waarbij een uitbarsting van ultrakorte laserpulsen (die elk ongeveer 80 femtoseconden of 80 biljardsten van een seconde duren) wordt gestraald naar een monster van perovskiet. gekoeld tot min 269 graden Celsius.

“De pulsen bestralen het monster met nauwkeurig gecontroleerde intervallen. Door de intervallen te wijzigen en het licht dat door het monster wordt uitgezonden als een functie van het interval te detecteren, kunnen we de interactie tussen elektronen en licht en de dynamiek ervan met een hoge temporele precisie analyseren en de typische interactie in kaart brengen. keer, de energieniveaus waarmee ze koppelen, en de interacties met andere deeltjes, “zei Padilha.

De MDCS-techniek kan worden gebruikt om miljarden nanodeeltjes tegelijkertijd te analyseren en om onderscheid te maken tussen verschillende families van nanodeeltjes die in het monster aanwezig zijn.

Het experimentele systeem is ontwikkeld door een team onder leiding van Steven Cundiff, hoofdonderzoeker voor de studie aan de Universiteit van Michigan. Sommige metingen werden gedaan door Diogo Almeida, een voormalig lid van het team van Cundiff en nu in het ultrasnelle spectroscopielaboratorium van UNICAMP met een postdoctoraal fellowship van FAPESP onder toezicht van Padilha.

Quantum dots werden gesynthetiseerd door Luiz Gustavo Bonato, een Ph.D. kandidaat bij het Chemistry Institute van UNICAMP. “De zorg die Bonato besteedde aan het voorbereiden van de kwantumstippen en zijn protocol waren van fundamenteel belang, zoals blijkt uit hun kwaliteit en grootte, en door de eigenschappen van het nanometrische materiaal”, zegt Ana Flávia Nogueira, co-hoofdonderzoeker van de studie in Brazilië. Nogueira is een professor aan het Chemistry Institute (IQ-UNICAMP) en hoofdonderzoeker voor Research Division 1 bij het Center for Innovation in New Energies (CINE), een Engineering Research Center (ERC) opgericht door FAPESP en Shell.

“De verkregen resultaten zijn erg belangrijk omdat kennis van de optische eigenschappen van het materiaal en hoe de elektronen zich gedragen, kansen biedt voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën in halfgeleideroptica en elektronica. De integratie van perovskiet is hoogstwaarschijnlijk het meest onderscheidende kenmerk van de volgende generatie televisietoestellen, ” zei Nogueira.