Forskare från University of Alabama i Huntsville och University of Oklahoma har hittat ett nytt sätt att kontrollera egenskaperna hos kvantprickar, dessa små bitar av halvledarmaterial som lyser i olika färger beroende på deras storlek. Kvantprickar, som är så små att de börjar uppvisa atomliknande kvantegenskaper, har ett brett utbud av potentiella tillämpningar, från sensorer, ljusemitterande dioder, och solceller, till fluorescerande taggar för biomedicinsk avbildning och qubits i kvantberäkningar.

En nyckelegenskap hos kvantprickar som gör dem så användbara är deras fluorescens. Forskare kan "justera" kvantprickar för att avge en specifik ljusfärg genom att justera deras storlek - små prickar lyser blått och stora prickar lyser rött. Dock, prickarnas förmåga att lysa kan förändras över tiden med exponering för ljus och luft.

Seyed Sadeghi, en fysiker vid University of Alabama i Huntsville, undrade om det skulle vara möjligt att bättre kontrollera hur kvantprickar reagerar på sin omgivning. Hans team hade tidigare funnit att placering av kvantprickar av en viss typ på nanometertunna lager av krom- och aluminiumoxider avsevärt förändrade prickarnas beteende:aluminiumoxiden ökade deras utsläppseffektivitet, medan kromoxiden ökade prickarnas nedbrytningshastighet när de exponerades för luft. Forskarna bestämde sig för att utöka sina undersökningar till kvantprickar med olika strukturer.

Kvantprickar finns i en mängd olika former, storlekar, och material. För Sadeghi och hans kollegors senaste studier, publiceras i Journal of Applied Physics , forskarna undersökte beteendet hos fyra olika typer av kommersiellt tillgängliga kvantprickar. Några av kvantprickarna hade skyddande skal, medan andra inte gjorde det. Dessutom, några av prickarna hade kärnor gjorda av binära material (två typer av halvledare), medan andra hade ternära materialkärnor (tre typer av halvledare). Alla kvantprickar hade tillverkats genom kemisk syntes.

Forskarna fann att ultratunn aluminiumoxid kunde få kvantprickar att lysa ljusare och att effekten var mycket mer signifikant för kvantprickar utan skyddande skal. De fann också att medan kvantprickar med både binära och ternära kärnor krymper efter att de reagerat med syre i luften, ternära kärnprickar placerade på aluminiumoxid lyste starkare trots krympningen. Denna observation överraskade forskarna, Sadeghi sa, och även om de ännu inte har en förklaring till skillnaden, de fortsätter att studera det.

"Resultaten av dessa studier kan tjäna till att förbättra utsläppseffektiviteten för kvantprickar, vilket är en viktig funktion för många applikationer som ljusavgivande enheter, sensorer, detektorer, fotovoltaiska enheter, och undersökningen av ett brett spektrum av fysiska fenomen i kvant- och nanoskala, " sa Sadeghi. Kvantprickar har redan hjälpt till att öka effektiviteten hos många optiska enheter, han noterade, och vidareutveckling och tillämpning av quantum dots unika egenskaper, inklusive inom områdena biologisk avbildning och medicin, fortsätter att vara ett främsta fokus för vetenskapliga studier. Som ett nästa steg i sin egen forskning, Sadeghi och hans kollegor planerar att undersöka hur metalloxider kan påverka beteendet hos kvantprickar när de är nära metalliska nanopartiklar.