Den vanliga scanningstunnelmikroskopbilden av en kolprick till vänster visar bara en punktlös prick. Den tidsupplösta enmolekylära absorptionen STM till höger avslöjar att laserexcitation initialt sprids över hela kolpunkten, men inom några pikosekunder migrerar excitationen till ett mycket lokaliserat område på ytan. Den vita skalan är 5 nanometer lång. Kredit:Martin Gruebele
Små fluorescerande halvledarprickar, kallas kvantprickar, är användbara i en mängd olika hälso- och elektroniska tekniker men är gjorda av giftiga, dyra metaller. Ogiftiga och ekonomiska kolbaserade prickar är lätta att producera, men de avger mindre ljus. En ny studie som använder ultrasnabb nanometrisk avbildning fann goda och dåliga strålare bland populationer av kolprickar. Denna observation antyder att genom att endast välja superemittorer, kolnanodots kan renas för att ersätta giftiga metallkvantprickar i många applikationer, sa forskarna.
Resultaten, publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences , samlade forskare från University of Illinois Urbana-Champaign och University of Delaware, Baltimore County i ett samarbetsprojekt genom Beckman Institute for Advanced Science and Technology i Illinois.
"När jag kommer in i denna studie, vi visste inte om alla kolprickar bara är mediokra utsläppare eller om vissa var perfekta och andra var dåliga, " sa Illinois kemiprofessor Martin Gruebele, som ledde studien. "Vi visste att om vi kunde visa att det finns bra och dåliga, kanske vi så småningom kunde hitta ett sätt att välja de perfekta ur mixen."
Att avgöra om kolprickar är bra eller dåliga ljussändare börjar med att kunna se dem, sa Gruebele. Prickarna är mindre än 10 nanometer i diameter och, när man är upphetsad, bestämma om du vill fluorescera inom några pikosekunder – eller en tusendels miljarddels sekund.
"Med vårt tidigare utvecklade enmolekylära absorptionsscannande tunnelmikroskop, vi kunde bara avbilda exciterade tillstånd utan tidsupplösning, ", sa Gruebele. "I den här studien, dock, vi kan nu spela in kvantprickar i deras exciterade tillstånd genom att kombinera sann nanometerupplösning med femtosekundstidsupplösning."
Martin Gruebele, höger, och doktorand Huy Nguyen visar att ekonomiska kolbaserade kvantprickar avger tillräckligt med ljus när de är upphetsade för att så småningom ersätta de dyra och giftiga metallkvantprickarna som används i många hälso- och elektroniktillämpningar. Kredit:L. Brian Stauffer
Teamet fann att energiexcitationen tar en av två vägar:antingen avge ljus eller utvisa energin som värme innan de får en chans att fluorescera.
"Vi fann att i bulkpopulationer, ungefär 20 % av en given population av kolnanodoter är perfekta utsändare, medan cirka 80 % har ett mycket kort ljusemissionstillstånd innan de avger värme, "Att kunna se att det finns olika populationer säger oss att det kan vara möjligt att rena kolprickpopulationer genom att bara välja de perfekta ljussändare."
Möjligheten att välja ut de perfekta prickarna kan göra konceptet med effektiva kolbaserade prickar till verklighet, sa Gruebele. "Metallkvantprickar används ofta för att övervaka hälsan hos levande celler, vilket är långt ifrån idealiskt, och har en giftfri, ett ekonomiskt alternativ skulle vara ett betydande framsteg."
Den nya bildtekniken gör det också möjligt för forskarna att observera varför vissa prickar aldrig lyser, antyder att det finns hopp om att forskare en dag kan syntetisera perfekta ljusavgivande kolprickar.
"Vi vet nu att vi har ett instrument som identifierar problemet, ", sa Gruebele. "Om vi använder det för att rena grupper av kolprickar eller för att hjälpa till att syntetisera perfekta ljusavgivande kolprickar är nu bara en fråga om vart vi vill ta vägen härnäst."
