一種產(chǎn)生紅外光的新型量子點方法，為中紅外激光器和具有成本效益的傳感器打開了大門。

文/Sally Cole Johnson

圖1：Philippe Guyot Sionnest（右）和Xingyu Shen在芝加哥大學戈登綜合科學中心的實驗室里。（圖片來源：芝加哥大學）

芝加哥大學物理學和化學教授Philippe Guyot Sionnest領導的一個研究小組，最近發(fā)現(xiàn)了一種通過膠體量子點產(chǎn)生紅外光的方法，該方法為重新定義中紅外范圍（3~5µm）的可能性打開了大門，因為他們第一次嘗試獲得的點幾乎與現(xiàn)有的傳統(tǒng)方法一樣有效。

膠體量子點是直徑約5~20nm的半導體納米晶體/顆粒，通常由硒化鎘（CdSe）、硫化鎘（CdS）、硫化鉛（PbS）、氧化鋅（ZnO）和磷化銦（InP）等制成，具有獨特的光學和電子特性。電子波在這些粒子內(nèi)部共振，就像空腔中的聲波或光波一樣，它會產(chǎn)生可根據(jù)納米晶體的大小進行光譜調(diào)諧的穩(wěn)態(tài)。

在發(fā)光二極管（LED）和電視等商業(yè)產(chǎn)品中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了能產(chǎn)生可見光的量子點。但到目前為止，如果想要能夠產(chǎn)生中紅外光的量子點，通常情況下很難實現(xiàn)。

雖然有機分子是由輕原子制成的，在可見光范圍內(nèi)是染料和熒光的理想選擇，但它們在中紅外范圍內(nèi)的表現(xiàn)并不那么好，因為分子振動也在中紅外區(qū)域，并迅速抑制電子激發(fā)。

Guyot Sionnest說：“無機半導體量子點材料像染料分子一樣可溶，在中紅外波段具有可調(diào)諧的電子激發(fā)，但它們是由振動頻率低得多的重原子組成的，這使它們成為良好的紅外和溶液可加工材料。這就是我們研究紅外半導體量子點的想法——它始于25年前。”

紅外激光器目前是通過分子外延工藝制造的，盡管效果很好，但勞動密集且價格昂貴。因此，研究人員想基于量子點創(chuàng)建一種實現(xiàn)紅外激光器的更好方法。

量子力學與級聯(lián)效應

該團隊決定探索一種廣泛用于制造激光器的“級聯(lián)”技術。為了做到這一點，他們制作了一種由數(shù)萬億微小核/殼HgSe/CdSe納米晶體制成的黑色墨水，將其涂在導電電極上，蒸發(fā)頂部的第二個導電電極，并在其中通電。

他們的方法包括在設備上運行電流，將數(shù)百萬個電子發(fā)送到設備上。如果成功，電子將通過一系列不同的能級，類似于從一系列瀑布中墜落。每次電子下降一個能級，它就有機會以光的形式發(fā)射能量。它的工作得益于量子力學。

Guyot Sionnest解釋道：“在級聯(lián)LED中，我們處理量子點的兩種狀態(tài)：最低基態(tài)，其類似于氫原子的s態(tài)；以及第一激發(fā)態(tài)，其類似于p態(tài)。”當電子從p態(tài)弛豫到s態(tài)時，會發(fā)出中紅外光。點之間的偏置使電子能夠從這個s態(tài)隧穿到下一個點的p態(tài)，以此類推。”

令該團隊驚訝的是，在他們第一次嘗試通過膠體量子點產(chǎn)生紅外光時，他們就看到了光。Guyot Sionnest說：“我們產(chǎn)生紅外光的新方法的首次嘗試就非常有效，一旦量子點內(nèi)產(chǎn)生光的效率提高，其性能將提高幾個數(shù)量級。然后，這些光源將能實現(xiàn)前所未有的效率和低成本。”

圖2：紅外光設備的原型。（圖片來源：芝加哥大學）

Guyot Sionnest解釋說，“從一個量子點的s態(tài)到下一個量子點p態(tài)的首選隧穿遠不明顯，因為也有可能簡單地從一個點的s態(tài)到下一點的s態(tài)。我們最初認為，這種偏好需要在微調(diào)的偏壓下進行共振，但在某種尚不清楚的方式下，電子排列成級聯(lián)而不是向下流動，因此偏壓并不重要。”

這項工作沒有涉及重大挑戰(zhàn)，因為這是該團隊先前在實驗室內(nèi)制造熒光紅外量子點的應用，他們已經(jīng)有了制造第一個帶有量子點的中紅外LED、并測量其輸出光的經(jīng)驗。

“但這確實需要在化學和物理界面上不同尋常的技能組合。”Guyot Sionnest說，“這要歸功于Xinygyu Shen和Ananth Kamath。很少有團隊能夠將制造量子點的化學技能、制造器件的制造工具和表征特性的中紅外儀器結合起來。”

光學氣體傳感器和激光器

通過量子點產(chǎn)生的紅外光最明顯和最可能的應用是光學氣體傳感器。Guyot Sionnest表示：“快速高效的量子點LED的大規(guī)模生產(chǎn)，以及類似的快速高效量子點探測器，將使光學氣體傳感比目前的半導體技術便宜得多。它還將提供比基于熱源和熱電探測器的低成本技術更好的靈敏度。”

激光器是這項工作的一個可能的擴展，但目前并不能確定其是否能夠實現(xiàn)。除此之外，商業(yè)應用可能需要使用不含汞、鎘和鉛等有毒和受管制元素的量子點。

Guyot Sionnest的研究生Xingyu Shen說：“一種成本效益高、易于使用的用量子點制造紅外光的方法，可能非常有用。”