Närfältsmikroskopi med fria elektronlaser vid HZDR:En justeringslaser används för att rikta in mätspetsen på mikroskopet som kommer ovanifrån. Nedanför syns det rörliga provbordet. Kredit:HZDR
(Phys.org)—Kvantprickar är nanostrukturer av halvledande material som beter sig mycket som enskilda atomer och är mycket lätta att producera. Med tanke på deras speciella egenskaper, forskare ser en enorm potential för kvantprickar i tekniska tillämpningar. Innan detta kan hända, dock, vi behöver en bättre förståelse för hur elektronerna "fångade" inuti dem beter sig. Dresden-fysiker har nyligen observerat hur elektroner i individuella kvantprickar absorberar energi och sänder ut den igen som ljus. Deras resultat publicerades nyligen i tidskriften Nanobokstäver .
Kvantprickar ser ut som små pyramider. Inuti var och en av dessa nanopyramider finns alltid bara en eller två elektroner som i huvudsak "känner" de sammandragande väggarna runt dem och är därför hårt begränsade i sin rörlighet. Forskare från Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), TU Dresden och Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden (IFW) har nu studerat de speciella energitillstånden för elektronerna fångade inuti individuella kvantprickar.
Skarpa energinivåer
Beteendet hos elektroner i ett material bestämmer i huvudsak dess egenskaper. Att vara rumsligt begränsad i alla tre rumsliga dimensioner, elektroner inuti en nano-pyramid kan bara uppta mycket specifika energinivåer – det är därför kvantprickar också kallas "konstgjorda atomer". Var dessa energinivåer ligger beror på den kemiska sammansättningen av halvledarmaterialet samt storleken på nanopyramiden. "Dessa skarpt definierade energinivåer utnyttjas, till exempel, i mycket energieffektiva lasrar baserade på kvantprickar. Ljuset produceras när en elektron sjunker från en högre energinivå till en lägre. Energiskillnaden mellan de två nivåerna bestämmer ljusets färg, " förklarar Dr. Stephan Winnerl från HZDR.
Att se elektroner inuti individuella kvantprickar
Forskarna i Dresden som arbetar med Dr Winnerl var nyligen de första som lyckades skanna övergångar mellan energinivåer i enstaka kvantpunkter med hjälp av infrarött ljus. Fastän, de kunde bara göra detta efter att ha övervunnit ett visst hinder:Medan pyramiderna av indiumarsenid eller indiumgalliumarsenid bildas spontant under ett specifikt sätt för kristalltillväxt, deras storlek varierar inom ett visst intervall. Studera dem med infrarött ljus, till exempel, man får suddiga signaler eftersom elektroner i olika stora pyramider reagerar på olika infraröda energier. Det är därför det är så viktigt att få en detaljerad bild av elektronerna fångade inuti en enda kvantprick.
De två fria elektronlasrarna vid HZDR. Kredit:Sven Claus
Forskarna närmade sig denna uppgift med den speciella metoden att skanna närfältsmikroskopi. Laserljus lyser på en metallisk spets som är mindre än 100 nanometer tjock, som starkt kollimerar ljuset till hundra gånger mindre än ljusets våglängd, vilket är den rumsliga upplösningsgränsen för "konventionell" optik som använder linser och speglar. Genom att fokusera detta kollimerade ljus exakt på en pyramid, energi doneras till elektronerna, därigenom spännande dem till en högre energinivå. Denna energiöverföring kan mätas genom att titta på det infraröda ljuset som sprids från spetsen i denna process. Medan närfältsmikroskopi innebär stora signalförluster, ljusstrålen är fortfarande stark nog att excitera elektronerna inuti en nano-pyramid. Metoden är också så känslig att den kan skapa en bild i nanoskala där en eller två elektroner inuti en kvantprick sticker ut i tydlig kontrast. På detta sätt, Stephan Winnerl och hans kollegor från HZDR, plus fysiker från TU och IFW Dresden, studerade elektronernas beteende inuti en kvantpunkt i detalj, och därmed bidra till vår förståelse av dem.
Infrarött ljus från den fria elektronlasern
Det infraröda ljuset som användes i experimenten kom från fria elektronlasern vid HZDR. Denna speciella laser är en idealisk infraröd strålningskälla för sådana experiment eftersom energin i dess ljus kan justeras för att exakt matcha energinivån inuti kvantprickarna. Lasern levererar också så intensiv strålning att den mer än väl kompenserar för de oundvikliga förlusterna som är inneboende i metoden.
"Nästa, vi avser att avslöja beteendet hos elektroner inuti kvantprickar vid lägre temperaturer, " säger Dr Winnerl. "Från dessa experiment, vi hoppas få ännu mer exakta insikter om dessa elektroners instängda beteende. Särskilt, vi vill få en mycket bättre förståelse för hur elektronerna interagerar med varandra såväl som med vibrationerna i kristallgittret." Tack vare dess intensiva laserblixtar i en bred, fritt valbart spektralområde, fria elektronlasern erbjuder idealiska förhållanden för metoden för närfältsmikroskopi i Dresden, som drar nytta av det nära samarbetet med Prof. Lukas Eng vid TU Dresden inom ramen för DRESDEN-konceptet.
