Наночастицы демонстрируют свой истинный цвет
 Раствор миллионов квантовых точек, нанесенный тонким слоем не полимерную пленку (наблюдение через микроскоп). (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Фотолюминесцентные полупроводниковые квантовые точки имеют диаметр порядка 10 нм. Они могут поглощать фотоны сравнительно короткой длины волны (обычно – ультрафиолетового диапазона), а излучать при этом видимый свет. В большинстве квантовых точек их геометрический размер значительно ограничивает разрешенные квантовые состояния для носителей заряда в полупроводнике (т.е. электронов и дырок проводимости), что также сильно ограничивает цвета испускаемых фотонов. Производя частицы различных размеров, исследователи создают точки, излучающие практически любой цвет. За счет этого свойства квантовые точки являются перспективными объектами для формирования для новых видов ярких высокоэффективных дисплеев и источников освещения. Возбуждение самих точек при этом осуществляется при помощи ультрафиолетовых диодов.
Сегодня существенная часть квантовых точек производится из селенида кадмия. Однако исследователи изучали и другие полупроводники, в том числе с марганцем, поскольку они более долговечны и не требуют высокотоксичного кадмия. К сожалению, до сих пор считалось, что содержащие марганец квантовые точки излучают только в диапазоне оттенков оранжевого цвета, что ограничивает их применение на практике. Явление объяснялось тем, что, т.к. флуоресценция происходит только за счет электронов, связанных с одним ионом, а не электронов и дырок проводимости, распределенных по всей квантовой точке (как это реализуется в наночастицах, содержащих кадмий), длина волны излучения не зависит от размера объекта. Кроме того, ранние измерения показали, что оранжевый цвет получается из сравнительно широкой спектральной полосы (а не «чистые» спектральные линии), что также является недостатком с точки зрения производства дисплеев.
Казалось бы, от подобных нанообъектов в ракурсе разработки новых технологий отображения можно отказаться, однако в своей последней работе группа ученых из Indian Institute of Science (Индия) выявила некоторые неожиданные свойства этих наноструктур. Группа изучала квантовые точки из сплава цинка, кадмия и серы, легированного марганцем (кадмий в данном случае не является обязательным компонентом, его использовали из соображений удобства). Предыдущие исследования подобных частиц обращали внимание на их раствор, т.е. на миллионы нанообъектов сразу. В рамках нового исследования ученые заливали раствором тонкие полимерные пленки и наблюдали отдельные частицы при помощи микроскопа. В ходе наблюдения выяснилось, что каждая наночастица дает свой цвет, в диапазоне от темно-зеленого до красного. Причем, спектр излучения каждого нанообъекта в пять раз уже, чем изучавшихся ранее квантовых точек. Характерный оранжевый оттенок, как оказалось, был просто смесью излучения всех наночастиц.
Чтобы объяснить наблюдаемый широкий диапазон цветов, ученые предположили, что уровни энергии каждого иона марганца (которые и определяют цвет излучения), влияют на электрическое поле окружающих их атомов полупроводника. Причем, влияние на атомы, расположенные у поверхности, отличается от влияния на атомы в центре, что приводит к различным смещениям уровней энергии. Таким образом, цвет точки зависит уже не от ее размера, а от того, где расположена большая часть ионов марганца: у поверхности или вблизи центра наночастицы.
Чтобы проверить эту теорию команда покрыла легированные марганцем наночастицы слоем нелегированного полупроводника (обеспечив, таким образом, каждой наночастице отсутствие атомов марганца у поверхности). Оказалось, чем больше покрытия нанесено на частицы, тем ближе к синей области спектра находится частота излучения, как и ожидалось, согласно проведенным расчетам. В итоге, управляя расположением ионов марганца, команда могла бы получить самые различные цвета квантовых точек.
Ученые считают, что их работа открывает большие перспективы перед разработчиками новых типов дисплеев. Кроме того, подобные квантовые точки могут повысить эффективность преобразования солнечной энергии в электричество в солнечных батареях.
Также по теме:
- Создан принципиально новый переключатель для цветных дисплеев
- Австралийские ученые получили больше информации взаимодействии биологических клеток с наночастицами
- Поверхностный заряд наночастиц влияет на характер их взаимодействия с клеточными мембранами
- Ученые предложили еще одно применение наночастиц из золота
- В оптических ограничителях придется учитывать форму наночастиц
Источники: