Квантовые точки догнали монокристаллы по эффективности свечения

Физикам удалось синтезировать дешевым методом квантовые точки, которые по оптическим параметрам очень близки к идеальным — их выход люминесценции оказался на уровне 99,6 процента. Такие устройства могут заменить более дорогие современные аналоги в солнечных панелях, детекторах излучения и медицинской аппаратуре. Более того, столь высокая эффективность позволяет реализовывать новые технологии, такие как люминесцентные концентраторы и оптические холодильники, сообщают авторы в журнале Science.

Многие оптические прикладные технологии, в частности, твердотельные источники света и цветные дисплеи, опираются на явление фотолюминесценции, то есть возбуждения свечения излучением. В таком случае вещество поглощает пришедший извне фотон с энергией больше ширины запрещенной зоны, который переводит электрон материала в зону проводимости с формированием вместо него в валентной зоне дырки. Затем оба носителя заряда за непродолжительное время (как правило, порядка пикосекунд) релаксируют с испусканием тепловых фононов, а спустя еще несколько наносекунд рекомбинируют, возвращая систему в исходное состояние, при этом высвобождая энергию либо в виде тепла, либо в виде излучения, порождая новый фотон.

Один из основных параметров этого процесса — квантовый выход люминесценции, который определяется соотношением испущенной в виде фотона энергии и не связанными с излучением потерями. На данный момент рекордными показателями являются 99,5 процента и 99,7 процента для допированных редкоземельными металлами монокристаллов иттриево-алюминиевого граната с большой шириной запрещенной зоны и эпитаксиально осажденными тонкими гетероструктурными пленками из арсенида алюминия-галлия и арсенида галлия, соответственно.

Традиционная электроника во многом опирается на монокристаллические полупроводники, для получения которых требуются специальные условия и промышленные технологии. Однако потенциально лучше использовать квантовые точки, то есть наноразмерные кристаллы, так как они более стабильны и дешевы в производстве, чем трехмерные или двумерные аналоги. Также к их преимуществам относится возможность включения в состав композитов, жидкостей, полимеров и даже биологических объектов.

В работе под руководством Пола Аливизатоса (Paul Alivisatos) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США) описывается процесс создания новых квантовых точек из селенида галлия и сульфида галлия, а также исследование их выхода люминесценции. Эти объекты относятся к основному исследуемому сегодня классу квантовых точек типа ядро–оболочка, выход люминесценции которых обычно находится на уровне 95 процентов, чего недостаточно для ряда приложений, в которых необходимо как можно меньше энергии света рассеивать в виде тепла. Авторы улучшили предложенный в 2013 году метод синтеза таких частиц, что позволило недорогим способом выращивать от 4 до 11 монослоев сульфида кадмия вокруг ядра из селенида кадмия. 

«С оптической точки зрения эти материалы практически безупречны, — говорит соавтор работы Альберто Саллео (Alberto Salleo) из Стэнфордского университета. — Британский физик-теоретик сэр Чарльз Фрэнк говорил, что кристаллы подобны людям — их делают интересными дефекты. В этом смысле полученные нами материалы "скучны", так как они столь совершенны. Тем не менее, у них беспрецедентная эффективность фотолюминесценции».

Помимо технологии получения квантовых точек, ученым также пришлось использовать новый метод оценки их выхода люминесценции, так как обычно применяемые плохо работают в случае очень высоких показателей и могут давать ошибку от двух до пяти процентов. Предложенный авторами способ опирается не на измерения потока излучения, а на подсчет частоты рекомбинаций электронов и дырок, которые не привели к излучению фотона, то есть их энергия превратилась в тепло. В случае идеального источника излучения подобного вообще не должно происходить, а отклонения в такой ситуации поддаются очень точному учету, что делает данный метод высокочувствительным. Такой подход уже использовали для других материалов, но в случае квантовых точек авторы были первыми. Измеренный квантовый выход полученных частиц оказался равен 99.6 ± 0,2 процента, то есть в среднем лишь 0,4 процента пар электрон-дырка рекомбинируют без излучения фотона.

Квантовым точкам, как одному из основных объектов нанотехнологий, в последние годы посвящено множество работ. В частности, они помогли ученым заглянуть в растущую опухоль, позволят создавать на основе себя нейросети и даже квантовые компьютеры.

Тимур Кешелава