Wetenschappers ontdekken een proces dat het helderder maken van kwantumstippen in de weg staat

SLAC- en Stanford-onderzoekers hebben de eerste waarnemingen op atomaire schaal gedaan van hoe nanokristallen die bekend staan ​​als quantum dots hun lichtproducerende efficiëntie verliezen wanneer ze worden opgewekt met intens licht. Stippen waren opgewonden met groen licht (boven) of hoger energetisch paars licht (onder), en wetenschappers keken toe hoe ze reageerden met een “elektronen camera,” MeV-UED. Toen ze met groen licht werden geraakt, ontspanden de stippen zich en zetten opgewonden elektronen- en gatenparen vrijwel alle binnenkomende energie om in licht. Maar toen hij met paars licht werd geraakt, zat een deel van de energie vast op het oppervlak van de stip; dit verstoorde de rangschikking van omringende atomen en verspilde energie als warmte. De resultaten hebben brede implicaties voor de ontwikkeling van toekomstige kwantum- en fotonica-technologieën waarbij licht elektronen in computers en vloeistoffen in koelkasten vervangt. Krediet: B.Guzelturk et al., Nature Communications, 25 maart 2021

Heldere halfgeleider nanokristallen, ook wel quantum dots genoemd, geven QLED tv-schermen hun levendige kleuren. Maar pogingen om de intensiteit van dat licht te verhogen, genereren in plaats daarvan warmte, waardoor de lichtproducerende efficiëntie van de stippen wordt verminderd.

Een nieuwe studie legt uit waarom, en de resultaten hebben brede implicaties voor de ontwikkeling van toekomstige kwantum- en fotonica-technologieën, waarbij licht elektronen in computers en vloeistoffen in koelkasten vervangt.

In een QLED tv-scherm absorberen stippen blauw licht en veranderen ze in groen of rood. Bij de lage energieën waar tv-schermen werken, is deze omzetting van licht van de ene kleur naar de andere vrijwel 100% efficiënt. Maar bij de hogere excitatie-energieën die nodig zijn voor helderdere schermen en andere technologieën, neemt de efficiëntie sterk af. Onderzoekers hadden theorieën over waarom dit gebeurt, maar tot nu toe had niemand het ooit op atomaire schaal waargenomen.

Om meer te weten te komen, gebruikten wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy een hoge snelheid “elektronen camera” om stippen te zien die binnenkomend hoogenergetisch laserlicht omzetten in hun eigen gloeiende lichtemissies.

De experimenten toonden aan dat het inkomende hoogenergetische laserlicht elektronen uit de atomen van de stip stoot, en dat hun overeenkomstige gaten – lege plekken met positieve ladingen die vrij kunnen bewegen – vast komen te zitten aan het oppervlak van de stip, waardoor ongewenste afvalwarmte ontstaat.

Bovendien recombineren elektronen en gaten zich op een manier die extra warmte-energie afgeeft. Dit verhoogt het schudden van de atomen van de punt, vervormt de kristalstructuur en verspilt zelfs nog meer energie die had kunnen worden besteed aan het helderder maken van de punten.

“Dit vertegenwoordigt een belangrijke manier waarop energie uit het systeem wordt gezogen zonder dat er licht ontstaat,” zei Aaron Lindenberg, universitair hoofddocent aan Stanford University en onderzoeker bij het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences bij SLAC, die de studie leidde met postdoctoraal onderzoeker Burak Guzelturk.

“Proberen te achterhalen wat aan dit proces ten grondslag ligt, is al decennia onderwerp van studie geweest,” hij zei. “Dit is de eerste keer dat we konden zien wat de atomen eigenlijk doen terwijl opgewonden staatsenergie verloren gaat als warmte.”

Het onderzoeksteam, bestaande uit wetenschappers van SLAC, Stanford, de University of California, Berkeley en het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE, beschreef de resultaten in Nature Communications vandaag.

Een pure, schitterende gloed uitstoten

Ondanks hun kleine formaat – ze hebben ongeveer dezelfde diameter als vier strengen DNA – zijn quantum dot-nanokristallen verrassend complex en zeer technisch ontwikkeld. Ze zenden extreem zuiver licht uit waarvan de kleur kan worden aangepast door hun grootte, vorm, samenstelling en oppervlaktechemie aan te passen. De kwantumstippen die in dit onderzoek zijn gebruikt, zijn meer dan twee decennia geleden uitgevonden en worden tegenwoordig veel gebruikt in heldere, energiezuinige beeldschermen en in beeldvormingshulpmiddelen voor biologie en geneeskunde.

Het begrijpen en oplossen van problemen die in de weg staan ​​om stippen efficiënter te maken bij hogere energieën, is momenteel een zeer heet onderzoeksgebied, zei Guzelturk, die bij SLAC experimenten uitvoerde met postdoctoraal onderzoeker Ben Cotts.

Eerdere studies waren gericht op hoe de elektronen van de stippen zich gedroegen. Maar in deze studie kon het team ook de bewegingen van hele atomen zien met een elektronencamera die bekend staat als MeV-UED. Het raakt monsters met korte pulsen van elektronen met zeer hoge energieën, gemeten in miljoenen elektronvolt (MeV). In een proces dat ultrasnelle elektronendiffractie (UED) wordt genoemd, verstrooien de elektronen zich van het monster en in detectoren, waardoor patronen ontstaan ​​die laten zien wat zowel elektronen als atomen aan het doen zijn.

Terwijl het SLAC / Stanford-team het gedrag meet van kwantumstippen die waren geraakt met verschillende golflengten en intensiteiten van laserlicht, werkten de afgestudeerde studenten Dipti Jasrasaria en John Philbin van UC Berkeley samen met de theoretisch scheikundige Eran Rabani van Berkeley om het resulterende samenspel van elektronische apparatuur te berekenen en te begrijpen. en atomaire bewegingen vanuit een theoretisch standpunt.

“We ontmoetten de onderzoekers vrij vaak,” Zei Rabani. “Ze kwamen met een probleem en we begonnen samen te werken om het te begrijpen. Gedachten gingen heen en weer, maar het kwam allemaal voort uit de experimenten, die een grote doorbraak waren in de mogelijkheid om te meten wat er gebeurt met het atoomrooster van de kwantumdots wanneer het intens opgewonden is.”

Een toekomst van op licht gebaseerde technologie

De studie werd uitgevoerd door onderzoekers in een DOE Energy Frontier Research Center, Photonics at Thermodynamic Limits, geleid door Jennifer Dionne, een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan Stanford en senior associate vice-provoost van onderzoeksplatforms / gedeelde faciliteiten. Haar onderzoeksgroep werkte samen met de groep van Lindenberg om de experimentele techniek voor het sonderen van de nanokristallen te helpen ontwikkelen.

Het uiteindelijke doel van het centrum, zei Dionne, is om fotonische processen te demonstreren, zoals lichtabsorptie en -emissie, op de limieten van wat de thermodynamica toelaat. Dit zou technologieën kunnen opleveren zoals koeling, verwarming, koeling en energieopslag – maar ook kwantumcomputers en nieuwe motoren voor ruimteverkenning – die volledig door licht worden aangedreven.

“Om fotonische thermodynamische cycli te creëren, moet u nauwkeurig bepalen hoe licht, warmte, atomen en elektronen in materialen op elkaar inwerken,” Zei Dionne. “Dit werk is opwindend omdat het een ongekende lens biedt op de elektronische en thermische processen die de lichtemissie-efficiëntie beperken. De bestudeerde deeltjes hebben al recordkwantumopbrengsten, maar nu is er een pad naar het ontwerpen van bijna perfecte optische materialen.” Dergelijke hoge lichtemissie-efficiënties zouden een groot aantal grote futuristische toepassingen kunnen openen, allemaal aangedreven door kleine puntjes die zijn onderzocht met ultrasnelle elektronen.