Även om nanokristaller erbjuder färgavstämning och används i olika tekniker, kräver olika nanokristaller att olika färger uppnås för varje färg, och dynamisk växling mellan färger har inte varit möjlig.

Ett team av forskare vid Institute of Chemistry och Centre for Nanoscience and Nanotechnology vid Hebrew University of Jerusalem, inklusive doktoranden Yonatan Ossia med sju andra medlemmar, och ledda av Prof. Uri Banin, har nu kommit med en innovativ lösning för att detta problem.

Genom att utveckla ett system av en "konstgjord molekyl" gjord av två kopplade halvledarnanokristaller som avger ljus i två olika färger, demonstrerades snabb och momentan färgväxling. Uppsatsen med titeln "Electric field induced color switching in colloidal quantum dot molecules at rumstemperatur," publicerades i tidskriften Nature Materials .

Färgat ljus och dess inställbarhet är grunden för många viktiga moderna teknologier:från belysning, displayer, snabba optiska fiberkommunikationsnätverk och mer. När färgemitterande halvledare tas till nanoskalan (nano-en miljarddels meter, hundra tusen gånger mindre än ett människohår), kommer en effekt som kallas kvantinneslutning att spela in:att ändra storleken på nanokristallen ändrar färgen på det utsända ljuset . Således kan starka ljuskällor erhållas som täcker hela det synliga spektrumet.

På grund av den unika färgjusteringen hos sådana nanokristaller, och deras enkla tillverkning och manipulation med våtkemi, används de redan i stor utsträckning i kommersiella skärmar av hög kvalitet, vilket ger dem utmärkt färgkvalitet tillsammans med betydande energibesparande egenskaper.

Men för att uppnå olika färger (som behövs för de olika RGB-pixlarna) krävdes dock användningen av olika nanokristaller för varje specifik färg, och dynamisk växling mellan de olika färgerna var inte möjlig.

Även om färgjustering av enstaka kolloidala nanokristaller som beter sig som "konstgjorda atomer" tidigare har undersökts och implementerats i prototyper av optoelektroniska enheter, har det varit svårt att byta färger aktivt på grund av den minskade ljusstyrkan som inneboende åtföljer effekten, vilket bara gav en förskjutning av färgljuset .

Forskargruppen övervann denna begränsning genom att skapa en ny molekyl med två emissionscentra, där ett elektriskt fält kan ställa in den relativa emissionen från varje center, ändra färgen, men utan att förlora ljusstyrkan. Den konstgjorda molekylen kan göras så att en av dess beståndsdelar nanokristaller är avstämd att avge "grönt" ljus, medan den andra "rött" ljus. Emissionen av denna nya konstgjorda molekyl som utsänder två färger är känslig för extern spänning som inducerar ett elektriskt fält:en polaritet av fältet inducerar emission av ljus från den "röda" mitten, och byter fältet till den andra polariteten ändras färgemissionen omedelbart till "grönt" och vice versa.

Detta färgväxlingsfenomen är reversibelt och omedelbart, eftersom det inte inkluderar någon strukturell rörelse hos molekylen. Detta gör det möjligt att erhålla var och en av de två färgerna, eller valfri kombination av dem, helt enkelt genom att applicera lämplig spänning på enheten.

Denna förmåga att exakt styra färgjustering i optoelektroniska enheter samtidigt som intensiteten bevaras, låser upp nya möjligheter inom olika områden, inklusive skärmar, belysning och optoelektroniska enheter i nanoskala med justerbara färger, och även som ett verktyg för känslig fältavkänning för biologiska tillämpningar och neurovetenskap att följa hjärnans aktivitet. Dessutom tillåter det att aktivt ställa in emissionsfärger i enstaka fotonkällor som är viktiga för framtida kvantkommunikationsteknologier.

Prof. Uri Banin från hebreiska universitetet i Jerusalem förklarade:"Vår forskning är ett stort steg framåt inom nanomaterial för optoelektronik. Detta är ett viktigt steg i vår presentation av idén om 'nanokristallkemi' som lanserades för bara några år sedan i vår forskning grupp, där nanokristallerna är byggstenar av konstgjorda molekyler med spännande nya funktioner. Att kunna byta färger så snabbt och effektivt på nanoskalan som vi har uppnått har enorma möjligheter. "

Genom att använda sådana kvantprickmolekyler med två emissionscentra kan flera specifika ljusfärger med samma nanostruktur genereras.

Detta genombrott öppnar dörrar till utveckling av känslig teknik för att detektera och mäta elektriska fält. Det möjliggör också nya skärmdesigner där varje pixel kan styras individuellt för att producera olika färger, vilket förenklar standard RGB-skärmdesignen till en mindre bas av pixlar, vilket har potential att öka upplösningen och energibesparingarna för framtida kommersiella skärmar.

Detta framsteg inom elektriskt fältinducerad färgväxling har enorm potential för att transformera enhetsanpassning och fältavkänning, vilket banar väg för spännande framtida innovationer.

Mer information: Elektriskt fältinducerad färgväxling i kolloidala kvantprickmolekyler vid rumstemperatur, naturmaterial (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01606-0

Journalinformation: Naturmaterial

Tillhandahålls av Hebrew University of Jerusalem