Ett internationellt team av forskare från ETH Zürich, IBM Research Zürich, Empa och fyra amerikanska forskningsinstitutioner har hittat förklaringen till varför en klass av nanokristaller som har studerats intensivt de senaste åren lyser i så otroligt ljusa färger. Nanokristallerna innehåller cesiumblyhalogenidföreningar som är arrangerade i en perovskitgitterstruktur.

Tre år sedan, Maksym Kovalenko, professor vid ETH Zürich och Empa, lyckats skapa nanokristaller - eller kvantprickar, som de också är kända - från detta halvledarmaterial. "Dessa små kristaller har visat sig vara extremt ljusa och snabbavgivande ljuskällor, ljusare och snabbare än någon annan typ av kvantprick som studerats hittills, " säger Kovalenko. Genom att variera sammansättningen av de kemiska elementen och storleken på nanopartiklarna, han lyckades också producera en mängd olika nanokristaller som lyser upp i färgerna i hela det synliga spektrumet. Dessa kvantprickar behandlas därmed också som komponenter för framtida lysdioder och displayer.

I en studie publicerad i den senaste upplagan av den vetenskapliga tidskriften Natur , den internationella forskargruppen undersökte dessa nanokristaller individuellt och i detalj. Forskarna kunde bekräfta att nanokristallerna avger ljus extremt snabbt. Tidigare studerade kvantprickar avger vanligtvis ljus runt 20 nanosekunder efter att ha blivit exciterade när de är i rumstemperatur, vilket redan är väldigt snabbt. "Dock, cesium blyhalogenid kvantprickar avger ljus vid rumstemperatur efter bara en nanosekund, " förklarar Michael Becker, första författare till studien. Han är doktorand vid ETH Zürich och genomför sitt doktorandprojekt på IBM Research.

Elektron-hålpar i ett exciterat energitillstånd

Att förstå varför cesiumblyhalogenid-kvantprickar inte bara är snabba utan också mycket ljusa innebär att dyka in i enskilda atomers värld, ljuspartiklar (fotoner) och elektroner. "Du kan använda en foton för att excitera halvledarnanokristaller så att en elektron lämnar sin ursprungliga plats i kristallgittret, lämnar efter sig ett hål, " förklarar David Norris, Professor i materialteknik vid ETH Zürich. Resultatet är ett elektron-hål-par i ett exciterat energitillstånd. Om elektron-hålsparet återgår till sitt energijordtillstånd, ljus sänds ut.

Under vissa förutsättningar, olika exciterade energitillstånd är möjliga; i många material, det mest troliga av dessa tillstånd kallas mörkt. "I ett så mörkt tillstånd, elektronhålsparet kan inte återgå till sitt energijordtillstånd omedelbart och därför undertrycks ljusemissionen och uppträder fördröjd. Detta begränsar ljusstyrkan", säger Rainer Mahrt, en forskare vid IBM Research.

Inget mörkt tillstånd

Forskarna kunde visa att cesiumblyhalogenidkvantprickarna skiljer sig från andra kvantprickar:deras mest sannolika exciterade energitillstånd är inte ett mörkt tillstånd. Exciterade elektron-hålpar är mycket mer benägna att befinna sig i ett tillstånd där de kan avge ljus omedelbart. "Detta är anledningen till att de lyser så starkt, säger Norris.

Forskarna kom till denna slutsats med hjälp av sina nya experimentella data och med hjälp av teoretiskt arbete ledd av Alexander Efros, en teoretisk fysiker vid Naval Research Laboratory i Washington. Han är en pionjär inom kvantprickforskning och, för 35 år sedan, var bland de första forskarna som förklarade hur traditionella halvledarkvantprickar fungerar.

Goda nyheter för dataöverföring

Eftersom de undersökta cesiumblyhalogenidkvantprickarna inte bara är ljusa utan också billiga att producera kan de användas i tv-skärmar, med insatser som görs av flera företag, i Schweiz och över hela världen. "Också, eftersom dessa kvantprickar snabbt kan sända ut fotoner, de är av särskilt intresse för användning i optisk kommunikation inom datacenter och superdatorer, var snabbt, små och effektiva komponenter är centrala, " säger Mahrt. En annan framtida tillämpning kan vara optisk simulering av kvantsystem som är av stor betydelse för grundforskning och materialvetenskap.

ETH-professor Norris är också intresserad av att använda den nya kunskapen för utveckling av nya material. "När vi nu förstår varför dessa kvantprickar är så ljusa, vi kan också tänka på att konstruera andra material med liknande eller ännu bättre egenskaper, " han säger.