(PhysOrg.com) -- Betydande framsteg i tillämpningen av kolloidala strukturer som ljussändare och lasrar kan snart realiseras efter upptäckten av mycket snabba fluorescensemissionshastigheter i kolloidala nanoblodplättar. Dessa nanoblodplättar kombinerar de bästa egenskaperna hos två domäner:den breda avstämningsförmågan för absorption och fotoluminescens av nanokristaller och den korta sönderfallstiden för excitoner i kvantbrunnar. Denna upptäckt, som tillkännagavs av forskare vid Naval Research Laboratory och Laboratoire de Physique et d'Etude des Matéiaux, UMR8213 du CNRS, ESPCI, antyder att nanotrombocyterna är en viktig, nytt material för att konstruera avstämbara lysdioder, lågtröskellasrar, och fotovoltaiska solceller. De fullständiga resultaten av studien publiceras på nätet den 23 oktober, 2011, nummer av tidskriften Naturmaterial .

Nanoblodplättar är en ny klass av optiska material som är i huvudsak atomärt platta, kvasi-tvådimensionell kolloidal CdSe, CD skivor, och CdTe-skikt med väldefinierade tjocklekar som sträcker sig från 4 till 11 monolager. Dessa nanoblodplättar har elektroniska egenskaper hos tvådimensionella kvantbrunnar som bildas av molekylär strålepitaxi, och deras tjockleksberoende absorptions- och emissionsspektra styrs helt av skikttjockleken. Den mycket höga rumsliga inneslutningen av bärare i dessa kolloidala strukturer, praktiskt taget otillgängliga i epitaxiella kvantbrunnar, kombinerat med möjligheter att skapa mycket tunna, platta lager (ned till 1,5 nm) av halvledarna gör bandgapet i detta material avstämbart över ett 1,4 eV-intervall. Den brett avstämbara absorptionsbandskanten, som främst styrs av nanoblodplättarnas tjocklek, resulterar i brett avstämbara emissionsspektra.

Stark förbättring av elektron-hål-coulomb-interaktion på grund av den lilla dielektricitetskonstanten hos det omgivande mediet är en annan egenskap hos kolloidala nanoblodplättar som inte finns i varken sfäriska kolloidala nanokristaller eller i epitaxiella kvantbrunnar. Detta fenomen minskar radien av excitoner avsevärt och förkortar deras strålningssönderfallstid. Dessutom, nanoblodplättsformen påverkar styrkan hos excitonkopplingen med emitterade fotoner eftersom den tangentiella komponenten av fotonelektriska fältet inte ändrar sitt värde när det penetrerar genom ytan på de platta nanoplättarna. Detta förkortar också den fluorescerande sönderfallstiden i dessa strukturer.

Till sist, markexcitontillstånden i kvasi-tvådimensionella nanoblodplättar kan ha en gigantisk oscillatorstyrkeövergång kopplad till excitoncentrum för masskoherent rörelse. Den gigantiska oscillatorstyrkeövergången är ett kvantmekaniskt fenomen som kan beskrivas som koherent excitation av volymen, vilket är betydligt större än excitonens volym. Fenomenet förutspåddes för 50 år sedan av Rashba. Den gigantiska oscillatorstyrkeövergången för markexcitontillståndet förbättrar absorptionstvärsnittet och förkortar avsevärt excitonstrålningsavklingningstiden. När det gäller tvådimensionella strukturer, förbättringen är proportionell mot förhållandet mellan arean för excitonens koherenta rörelse och kvadraten på excitonens Bohr-radie.

Forskarteamen vid Laboratoire de Physique et d'Etude des Matéiaux och NRL fann att vid rumstemperatur, fluorescenslivslängden för CdSe nanotrombocyter är kortare än den för CdSe nanokristaller med liknande kvantutbyte och emissionsvåglängd. Viktigt, fluorescenslivslängden för nanotrombocyter minskar med temperaturen, medan deras utsläppsintensitet ökar. Ett sådant temperaturberoende av fluorescenslivslängden är en unik signatur för den gigantiska oscillatorstyrkeövergången, som tidigare endast observerats i kvantbrunnar vid heliumtemperaturer. Vid 6K blir strålningsavklingningstiden kortare än 1 ns, vilket är två storleksordningar mindre än för sfäriska CdSe-nanokristaller. Detta gör nanotrombocyterna till de snabbaste kolloidala fluorescerande strålarna som är kända och antyder starkt att de visar en gigantisk oscillatorstyrkeövergång.

Framtida ansträngningar kommer att fokuseras på optimering av dessa nanoblodplättstrukturer med ett mål att eliminera de icke-strålningsprocesser som är kopplade till ytan. Tillväxten av kärn-skal nanoblodplättar skulle ytterligare utöka egenskaperna och tillämpningarna av materialen som presenteras här och skulle bana väg för syntesen av kolloidala, strukturer med flera kvantbrunnar. Sådana strukturer bör göra det möjligt för forskare att dra full nytta av den observerade förkortningen av strålningssönderfallstiden och avstämbarheten, och visa vägen till framtida genombrott inom fotonik, lasrar, och andra optiska tillämpningar av nanotrombocyter.