‘Nanodot’ besturingselement zou licht kunnen afstemmen voor scherpere displays en kwantum computing

Nieuw bereikt precieze controle over licht uitgezonden uit ongelooflijk kleine bronnen, een paar nanometers in grootte, ingebed in tweedimensionale (2D) materialen kunnen leiden tot opmerkelijk hoge resolutie monitoren en vooruitgang in ultra-gefast kwantumcomputing, volgens een internationaal team onder leiding van onderzoekers bij Penn State en Université Paris-saclay.

In een recente studie, gepubliceerd in ACS PhotonicsWetenschappers werkten samen om aan te tonen hoe het licht uit 2D -materialen kan worden gemoduleerd door een tweede 2D -materiaal erin in te bedden – zoals een klein eiland van enkele nanometer in grootte – bracht een nanodot. Het team beschreef hoe ze de opsluiting van nanodots in twee dimensies bereikten en aantoonden dat ze door de nanodotgrootte te regelen de kleur en frequentie van het uitgestoten licht konden veranderen.

“Als u de mogelijkheid hebt om gelokaliseerde lichtemissie van deze materialen te hebben die relevant zijn in kwantumtechnologieën en elektronica, is het heel opwindend”, zegt Nasim Alem, universitair hoofddocent Penn State-hoogleraar materiaalwetenschappen en engineering en co-correcterende auteur van de studie. “Stel je voor dat het licht krijgt van een nuldimensionaal punt in je veld, zoals een stip in de ruimte, en niet alleen dat, maar je kunt het ook regelen. Je kunt de frequentie regelen. Je kunt ook de golflengte regelen waar het vandaan komt.”

De onderzoekers ingebed nanodots gemaakt van een 2D -materiaal genaamd molybdeen diselenide in een ander 2D -materiaal, wolfraamdiselenide, en richtten vervolgens een straal van elektronen op de structuur om het licht te laten uitstoten. Deze techniek, cathodoluminescentie genaamd, stond het team in staat om te bestuderen hoe individuele nanodots in het materiaal licht uitzenden bij hoge resolutie.

“Door een lichtdetectietool te combineren met een transmissie -elektronenmicroscoop, een krachtige microscoop die elektronen gebruikt om monsters te afbeeldingen in beeld te brengen, kunt u veel fijnere details zien dan met andere technieken,” zei Saiphaneendra Bachu, eerste auteur die als primaire doctoraatsstudent in de studie diende in de studie in de studie. “Elektronen hebben kleine golflengten, dus de resolutie is ongelooflijk hoog, waardoor je licht kunt detecteren van de ene kleine stip los van een andere nabijgelegen stip.”

Ze ontdekten dat grotere stippen het ene type gloed afgeven, terwijl kleinere stippen een andere produceren. Wanneer de stippen extreem klein zijn – minder dan 10 nanometer breed, wat ongeveer de grootte is van 11 waterstofatomen die in een lijn zijn gerangschikt – gedragen ze zich op een unieke manier, het vangen van energie en het uitzenden van licht met een hogere frequentie, wat overeenkomt met een kleinere golflengte.

Volgens Alem wordt dit fenomeen kwantumbeperking genoemd. Het treedt op wanneer de stippen in een zo klein ruimte zijn dat hun energie wordt gekwantiseerd, wat betekent dat het een discreet kenmerk wordt dat nieuwe eigenschappen mogelijk maakt, inclusief nieuwe elektronische en optische mogelijkheden. In dit geval bevestigden de onderzoekers dat nanodots fundamentele deeltjesparen beperkten die bekend staan ​​als excitonen op het grensvlak van molybdeen diselenide en wolfraamdiselenide.

Excitons kunnen energie transporteren, maar hebben geen netto lading en ze kunnen beïnvloeden hoe halfgeleiders – de chips die smartphones, computers en meer ondersteunen – van invloed zijn op. Door precies de excitonen in materialen te regelen, kunnen wetenschappers het licht dat ze uitstralen effectiever manipuleren, waarvan ze zeiden dat ze kunnen leiden tot snellere en veilige kwantumsystemen, evenals andere aanpasbare, energiebesparende apparaten zoals schermschermen met een hogere resolutie.

“Denk na over hoe OLED -displays werken,” zei Bachu. “Elke pixel heeft zijn eigen kleine lichtbron erachter, zodat u de exacte kleur of helderheid van elk kunt regelen. Hierdoor kan het scherm echte zwarte en nauwkeurige kleuren zoals rood, groen en blauw tonen. Als u dit proces verbetert, maakt u de foto veel scherper en levendiger.”

De controle komt van het aanpassen van de bandafstand – in wezen de energiedrempel elektronen moeten oversteken om een ​​materiaal licht te laten uitzenden – van een halfgeleidermateriaal. Materialen met lagere afmetingen, zoals een enkele laag 2D -wolfraamdiselenide, kunnen een directe bandafstand hebben, die efficiënter is in het uitzenden van licht in vergelijking met zijn dikkere, indirecte bandgap -tegenhanger, zei Alem.

Maar lichte emissie -efficiëntie en andere elektronische en optische eigenschappen variëren zelfs tussen een familie van gerelateerde 2D -materialen – zoals molybdeendisulfide, wolfraamdisulfide, molybdeen diselenide en tungsten diselenide – omdat ze elk verschillende band gap -energieën hebben.

“Door ze te mengen-zoals het combineren van molybdeen-diselenide en wolfraamdiselenide in specifieke verhoudingen-kunt u de band kloof verfijnen om licht uit te zenden bij een specifieke kleur,” zei Bachu. “Dit proces, Band Gap Engineering genoemd, is mogelijk vanwege de grote verscheidenheid aan materialen in deze familie, waardoor ze een uitstekend platform zijn om deze lichtbronnen te bestuderen en te creëren.”

De onderzoekers zeiden dat ze nu van plan zijn om op dit werk voort te bouwen.

“Dit is slechts het topje van de ijsberg,” zei Alem. “Door de rol van atomaire structuur, chemie en andere factoren bij het beheersen van lichtemissie te onderzoeken terwijl we in deze studie worden uitgezet, kunnen we dit onderzoek naar het volgende niveau verplaatsen en praktische toepassingen ontwikkelen.”