Hoe je heldere kwantumdots nog helderder kunt maken

Quantum dots zijn een soort kunstmatig atoom: ze zijn slechts een paar nanometer groot en gemaakt van halfgeleidermaterialen. Ze kunnen licht van een specifieke kleur of zelfs afzonderlijke fotonen uitzenden, wat belangrijk is voor kwantumtechnologieën. De ontdekkers en pioniers van de commerciële productie van kwantumdots ontvingen in 2023 de Nobelprijs voor de Scheikunde.

De afgelopen jaren hebben kwantumstippen gemaakt van perovskieten bijzondere aandacht getrokken. Perovskieten behoren tot een klasse materialen die een vergelijkbare structuur hebben als het mineraal perovskiet (calciumtitanaat). Quantum dots gemaakt van dergelijke materialen werden in 2015 voor het eerst geproduceerd door ETH Zürich.

Deze quantum dots gemaakt van perovskiet-nanokristallen kunnen met vloeistoffen worden gemengd tot een dispersie, waardoor ze gemakkelijk verder te verwerken zijn. Bovendien zorgen hun speciale optische eigenschappen ervoor dat ze helderder schijnen dan veel andere kwantumdots. Bovendien kunnen ze goedkoper geproduceerd worden, wat ze interessant maakt voor toepassingen in bijvoorbeeld displays.

Een team van onderzoekers onder leiding van Maksym Kovalenko van ETH Zürich en Empa, in samenwerking met collega’s in Oekraïne en de VS, heeft nu aangetoond hoe deze veelbelovende eigenschappen van perovskiet-kwantumdots verder kunnen worden verbeterd. Ze gebruikten chemische methoden voor oppervlaktebehandeling en kwantummechanische effecten die nog nooit eerder waren waargenomen in perovskiet-kwantumdots. De onderzoekers publiceerden hun resultaten onlangs in twee artikelen in Natuur.

Ongelukkige atomen verminderen de helderheid

Helderheid is een belangrijke maatstaf voor kwantumdots en hangt samen met het aantal fotonen dat de kwantumdot per seconde uitzendt. Kwantumdots stralen fotonen uit met een specifieke kleur (en dus frequentie) nadat ze bijvoorbeeld zijn geëxciteerd door ultraviolet licht met een hogere frequentie.

Dit leidt tot de vorming van een exciton bestaande uit een elektron, dat nu vrijer kan bewegen, en een gat – met andere woorden: een ontbrekend elektron – in de energetische bandenstructuur van het materiaal. Het aangeslagen elektron kan terugvallen naar een lagere energietoestand en zo recombineren met het gat. Als de energie die daarbij vrijkomt, wordt omgezet in een foton, zendt de quantum dot licht uit.

Dit werkt echter niet altijd. “Aan het oppervlak van de perovskiet-nanokristallen bevinden zich ‘ongelukkige’ atomen die een buur in het kristalrooster missen”, legt senior onderzoeker Gabriele Raino uit. Deze randatomen verstoren de balans tussen positieve en negatieve ladingsdragers in het nanokristal en kunnen ervoor zorgen dat de energie die vrijkomt bij een recombinatie wordt omgezet in roostertrillingen in plaats van te worden uitgestraald als licht. Als gevolg hiervan “knippert” de quantum dot, wat betekent dat hij niet continu schijnt.

Beschermende coating gemaakt van fosfolipiden

Om dit te voorkomen hebben Kovalenko en zijn team op maat gemaakte moleculen ontwikkeld die bekend staan ​​als fosfolipiden. “Deze fosfolipiden lijken erg op de liposomen waarin bijvoorbeeld het mRNA-vaccin tegen het coronavirus zo is ingebed dat het stabiel in de bloedbaan blijft totdat het de cellen bereikt”, legt Kovalenko uit.

Een belangrijk verschil: de onderzoekers optimaliseerden hun moleculen zo dat het polaire (elektrisch gevoelige) deel van het molecuul zich vasthecht aan het oppervlak van de perovskiet-kwantumdots en ervoor zorgt dat de ‘ongelukkige’ atomen worden voorzien van een ladingspartner.

Het niet-polaire deel van het fosfolipide dat aan de buitenkant uitsteekt, maakt het ook mogelijk om kwantumdots om te zetten in een dispersie in niet-waterige oplossingen zoals organische oplosmiddelen. De lipidecoating op het oppervlak van de perovskiet-nanokristallen is ook belangrijk voor hun structurele stabiliteit, zoals Kovalenko benadrukt: “Deze oppervlaktebehandeling is absoluut essentieel voor alles wat we met de kwantumdots willen doen.”

Tot nu toe hebben Kovalenko en zijn team de behandeling gedemonstreerd voor kwantumdots gemaakt van loodhalide-perovskieten, maar deze kan ook gemakkelijk worden aangepast aan andere metaalhalogenide-kwantumdots.

Nog helderder dankzij superstraling

Met het lipide-oppervlak was het mogelijk om het knipperen van de kwantumdots zodanig te verminderen dat bij 95% van de elektron-gat-recombinatiegebeurtenissen een foton werd uitgezonden. Om de quantum dot nog helderder te maken, moesten de onderzoekers echter de snelheid van de recombinatie zelf verhogen – en daarvoor is kwantummechanica nodig.

Een aangeslagen toestand, zoals een exciton, vervalt wanneer een dipool (positieve en negatieve ladingen verplaatsen zich ten opzichte van elkaar) in wisselwerking staat met het elektromagnetische veld van het vacuüm. Hoe groter de dipool, hoe sneller het verval. Eén mogelijkheid om een ​​grotere dipool te creëren is het op coherente wijze koppelen van meerdere kleinere dipolen aan elkaar. Dit is te vergelijken met slingeruurwerken die mechanisch met elkaar verbonden zijn en na een bepaalde tijd in de pas lopen.

De onderzoekers konden experimenteel aantonen dat de coherente koppeling ook werkt in perovskiet-kwantumdots – met slechts één enkele excitondipool die zich – door kwantummechanische effecten – over het hele volume van de kwantumdot verspreidt, waardoor verschillende kopieën van zichzelf ontstaan. het was. Hoe groter de quantum dot, hoe meer kopieën er gemaakt kunnen worden. Deze kopieën kunnen een effect teweegbrengen dat bekend staat als superstraling, waardoor het exciton veel sneller recombineert.

De quantum dot is daardoor ook sneller klaar om een ​​nieuw exciton op te nemen en kan daardoor meer fotonen per seconde uitzenden, waardoor hij nog helderder wordt. Een belangrijk detail om op te merken is dat de snellere quantum dot afzonderlijke fotonen blijft uitzenden (niet meerdere fotonen tegelijk), wat hem geschikt maakt voor quantumtechnologieën.

De verbeterde perovskiet-kwantumdots zijn niet alleen van belang voor de productie en weergave van licht, zegt Kovalenko, maar ook op andere, minder voor de hand liggende gebieden. Ze zouden bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt als door licht geactiveerde katalysatoren in de organische chemie. Kovalenko doet onderzoek naar dergelijke en diverse andere toepassingen, onder meer in het kader van NCCR Catalysis.