Kvantprickar är en sorts artificiell atom:bara några få nanometer stora och gjorda av halvledarmaterial kan de avge ljus av en specifik färg eller till och med enstaka fotoner, vilket är viktigt för kvantteknik. Upptäckarna och pionjärerna inom kommersiell produktion av kvantprickar tilldelades Nobelpriset i kemi 2023.
Under de senaste åren har kvantprickar gjorda av perovskiter väckt särskild uppmärksamhet. Perovskiter tillhör en klass av material som har liknande struktur som mineralet perovskit (kalciumtitanat). Kvantprickar gjorda av sådana material producerades för första gången av ETH Zürich 2015.
Dessa kvantprickar gjorda av perovskit nanokristaller kan blandas med vätskor för att bilda en dispersion, vilket gör dem lätta att bearbeta vidare. Dessutom gör deras speciella optiska egenskaper dem att lysa starkare än många andra kvantprickar. De kan också tillverkas billigare, vilket gör dem intressanta för applikationer i exempelvis displayer.
Ett team av forskare ledda av Maksym Kovalenko vid ETH Zürich och Empa, som arbetar i samarbete med motsvarigheter i Ukraina och USA, har nu visat hur dessa lovande egenskaper hos perovskitkvantprickar kan förbättras ytterligare. De använde kemiska metoder för ytbehandling och kvantmekaniska effekter som aldrig tidigare hade observerats i perovskitkvantprickar. Forskarna publicerade nyligen sina resultat i två artiklar i Nature .
Olyckliga atomer minskar ljusstyrkan
Ljusstyrka är ett viktigt mått för kvantpunkter och är relaterat till antalet fotoner kvantpunkten sänder ut per sekund. Kvantpunkter utstrålar fotoner av en specifik färg (och därmed frekvens) efter att ha exciterats, till exempel av ultraviolett ljus med högre frekvens.
Detta leder till bildandet av en exciton bestående av en elektron, som nu kan röra sig mer fritt, och ett hål – med andra ord en saknad elektron – i materialets energiska bandstruktur. Den exciterade elektronen kan falla tillbaka till ett lägre energitillstånd och på så sätt rekombinera med hålet. Om energin som frigörs under denna process omvandlas till en foton, avger kvantpunkten ljus.
Detta fungerar dock inte alltid. "På ytan av perovskitens nanokristaller finns "olyckliga" atomer som saknar en granne i kristallgittret, förklarar seniorforskaren Gabriele Raino. Dessa kantatomer stör balansen mellan positiva och negativa laddningsbärare inuti nanokristallen och kan göra att energin som frigörs under en rekombination omvandlas till gittervibrationer istället för att sändas ut som ljus. Som ett resultat "blinkar kvantpunkten", vilket betyder att den inte lyser kontinuerligt.
För att förhindra att detta händer har Kovalenko och hans team utvecklat skräddarsydda molekyler som kallas fosfolipider. "Dessa fosfolipider påminner mycket om liposomerna där, till exempel, mRNA-vaccinet mot coronaviruset är inbäddat på ett sådant sätt att det gör det stabilt i blodomloppet tills det når cellerna", förklarar Kovalenko.
En viktig skillnad:forskarna optimerade sina molekyler så att den polära (elektriskt känsliga) delen av molekylen hakar fast på ytan av perovskitkvantprickarna och ser till att de "olyckliga" atomerna förses med en laddningspartner.
Den opolära delen av fosfolipiden som sticker ut på utsidan gör det också möjligt att förvandla kvantprickar till en dispersion inuti icke-vattenhaltiga lösningar såsom organiska lösningsmedel. Lipidbeläggningen på ytan av perovskit-nanokristallerna är också viktig för deras strukturella stabilitet, som Kovalenko betonar:"Denna ytbehandling är i huvudsak för allt vi kan tänkas vilja göra med kvantprickarna."
Hittills har Kovalenko och hans team demonstrerat behandlingen för kvantprickar gjorda av blyhalogenidperovskiter, men den kan också enkelt anpassas till andra metallhalogenidkvantprickar.
Ännu ljusare tack vare superstrålning
Med lipidytan var det möjligt att reducera blinkandet av kvantprickarna i en sådan utsträckning att det emitterar en foton i 95 % av elektron-hål-rekombinationshändelserna. För att göra kvantpunkten ännu ljusare var forskarna dock tvungna att öka hastigheten på själva rekombinationen – och det kräver kvantmekanik.
Ett exciterat tillstånd, såsom en exciton, avklingar när en dipol - positiva och negativa laddningar förskjuts i förhållande till varandra - interagerar med vakuumets elektromagnetiska fält. Ju större dipol, desto snabbare sönderfall. En möjlighet att skapa en större dipol innebär att sammanhängande koppla flera mindre dipoler till varandra. Detta kan jämföras med pendelur som är mekaniskt sammankopplade och tickar i takt med varandra efter en viss tid.
Forskarna kunde experimentellt visa att den koherenta kopplingen också fungerar i perovskitkvantprickar – med endast en enda excitondipol som – genom kvantmekaniska effekter – sprider sig över hela kvantpunktens volym, och skapar därigenom flera kopior av sig själv, som det var. Ju större kvantpunkten är, desto fler kopior kan skapas. Dessa kopior kan åstadkomma en effekt som kallas superradiance, genom vilken excitonen rekombinerar mycket snabbare.
Kvantpunkten är följaktligen också snabbare redo att ta upp en ny exciton och kan därmed sända ut fler fotoner per sekund, vilket gör den ännu ljusare. En viktig detalj att notera är att den snabbare kvantpunkten fortsätter att sända ut enstaka fotoner (inte flera fotoner samtidigt), vilket gör den lämplig för kvantteknik.
De förbättrade perovskitkvantprickarna är inte bara av intresse för ljusproduktion och skärmar, säger Kovalenko, utan även inom andra mindre uppenbara områden. Till exempel skulle de kunna användas som ljusaktiverade katalysatorer inom organisk kemi. Kovalenko forskar om sådana applikationer och flera andra, inklusive inom ramen för NCCR Catalysis.
Mer information: Chenglian Zhu et al, Single-photon superradiance in individual cesium lead halide quantum dots, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-07001-8. www.nature.com/articles/s41586-023-07001-8
Viktoriia Morad et al, Designer Phospholipid Capping Ligander for Soft Metal Halide Nanokristaller, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06932-6
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av ETH Zürich
