Ontketen een nieuw tijdperk van nano-apparaten met instelbare kleuren: de kleinste lichtbron ooit met schakelbare kleuren

Hoewel nanokristallen kleurafstemming bieden en in verschillende technologieën worden gebruikt, vereist het bereiken van verschillende kleuren het gebruik van verschillende nanokristallen voor elke kleur, en dynamisch schakelen tussen kleuren was niet mogelijk.

Een team van onderzoekers van het Instituut voor Chemie en het Centrum voor Nanowetenschap en Nanotechnologie aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem, waaronder afgestudeerde student Yonatan Ossia met zeven andere leden, en geleid door prof. Uri Banin, hebben nu een innovatieve oplossing bedacht om dit probleem.

Door een systeem te ontwikkelen van een “kunstmatig molecuul” gemaakt van twee gekoppelde halfgeleider nanokristallen die licht uitzenden in twee verschillende kleuren, werd snelle en onmiddellijke kleurwisseling aangetoond. Het artikel met de titel “Elektrische veldgeïnduceerde kleuromschakeling in colloïdale kwantumdotmoleculen bij kamertemperatuur” werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuur materialen.

Gekleurd licht en de afstembaarheid ervan vormen de basis van veel essentiële moderne technologieën: van verlichting, displays, snelle glasvezelcommunicatienetwerken en meer. Wanneer kleur-emitterende halfgeleiders op nanoschaal worden gebracht (nano-een miljardste van een meter, honderdduizend keer kleiner dan een menselijke haar), treedt een effect op dat kwantumopsluiting wordt genoemd: het veranderen van de grootte van het nanokristal wijzigt de kleur van het uitgezonden licht . Zo kunnen heldere lichtbronnen worden verkregen die het gehele zichtbare spectrum dekken.

Vanwege de unieke kleurafstembaarheid van dergelijke nanokristallen en hun gemakkelijke fabricage en manipulatie met behulp van natte chemie, worden ze al veel gebruikt in hoogwaardige commerciële displays, waardoor ze een uitstekende kleurkwaliteit hebben en aanzienlijke energiebesparende eigenschappen hebben.

Tot op de dag van vandaag vereiste het bereiken van verschillende kleuren (zoals nodig voor de verschillende RGB-pixels) echter het gebruik van verschillende nanokristallen voor elke specifieke kleur, en dynamisch schakelen tussen de verschillende kleuren was niet mogelijk.

Hoewel kleurafstemming van enkele colloïdale nanokristallen die zich gedragen als “kunstmatige atomen” eerder is onderzocht en geïmplementeerd in prototype opto-elektronische apparaten, was het actief veranderen van kleuren een uitdaging vanwege de verminderde helderheid die inherent gepaard ging met het effect, wat slechts een kleine verschuiving van de kleur opleverde. .

Het onderzoeksteam overwon deze beperking door een nieuw molecuul te creëren met twee emissiecentra, waar een elektrisch veld de relatieve emissie van elk centrum kan afstemmen, waardoor de kleur verandert, maar zonder aan helderheid in te boeten. Het kunstmatige molecuul kan zo worden gemaakt dat een van de samenstellende nanokristallen is afgestemd om “groen” licht uit te stralen, terwijl de andere “rood” licht geeft. De emissie van dit nieuwe tweekleurige emitterende kunstmatige molecuul is gevoelig voor externe spanning die een elektrisch veld induceert: de ene polariteit van het veld induceert emissie van licht vanuit het “rode” centrum en het schakelen van het veld naar de andere polariteit, de kleuremissie wordt geschakeld ogenblikkelijk naar “groen” en vice versa.

Dit fenomeen van kleurwisseling is omkeerbaar en onmiddellijk, omdat het geen structurele beweging van het molecuul omvat. Dit maakt het mogelijk om elk van de twee kleuren, of een combinatie ervan, te verkrijgen door simpelweg de juiste spanning op het apparaat aan te leggen.

Dit vermogen om de kleurafstemming in opto-elektronische apparaten nauwkeurig te regelen met behoud van de intensiteit, ontgrendelt nieuwe mogelijkheden op verschillende gebieden, waaronder displays, verlichting en opto-elektronische apparaten op nanoschaal met instelbare kleuren, en ook als een hulpmiddel voor gevoelige velddetectie voor biologische toepassingen en toekomstige neurowetenschappen. de hersenactiviteit. Bovendien maakt het het mogelijk emissiekleuren actief af te stemmen op afzonderlijke fotonenbronnen, wat belangrijk is voor toekomstige kwantumcommunicatietechnologieën.

Prof. Uri Banin van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem legde uit: “Ons onderzoek is een grote sprong voorwaarts in nanomaterialen voor opto-elektronica. Dit is een belangrijke stap in onze uiteenzetting van het idee van ‘nanokristallijne chemie’ dat slechts een paar jaar geleden in ons onderzoek werd gelanceerd. groep, waar de nanokristallen bouwstenen zijn van kunstmatige moleculen met opwindende nieuwe functionaliteiten. De mogelijkheid om zo snel en efficiënt van kleur te wisselen op de nanoschaal zoals we hebben bereikt, heeft enorme mogelijkheden. Het zou een revolutie teweeg kunnen brengen in geavanceerde beeldschermen en kleur-schakelbare enkelvoudige fotonenbronnen kunnen creëren. ”

Door gebruik te maken van zulke quantum dot-moleculen met twee emissiecentra, kunnen verschillende specifieke kleuren licht worden gegenereerd met dezelfde nanostructuur.

Deze doorbraak opent deuren naar de ontwikkeling van gevoelige technologieën voor het detecteren en meten van elektrische velden. Het maakt ook nieuwe schermontwerpen mogelijk waarbij elke pixel afzonderlijk kan worden bestuurd om verschillende kleuren te produceren, waardoor het standaard RGB-schermontwerp wordt vereenvoudigd tot een kleinere basis van pixels, wat de potentie heeft om de resolutie en energiebesparingen van toekomstige commerciële schermen te vergroten.

Deze vooruitgang in door elektrische velden geïnduceerde kleurschakeling heeft een enorm potentieel voor het transformeren van apparaataanpassing en velddetectie, en maakt de weg vrij voor opwindende toekomstige innovaties.