科学家展示了利用量子点制造红外光的改进型新方法

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发表时间:2024-02-03 08:17

科学家展示了利用量子点制造红外光的改进型新方法

芝加哥大学研究员沈星宇拿着一个利用量子点产生红外光的装置--这一科学进步可能会带来新的激光器或传感器。图片来源:Jean Lachat

芝加哥大学的科学家们展示了一种利用胶体量子点产生红外光的方法。研究人员表示,这种方法前景广阔;尽管实验仍处于早期阶段,但量子点的效率已经不亚于现有的传统方法。

有朝一日,这些点可能会成为红外激光器以及小型、经济型传感器的基础,如尾气排放测试或呼吸测试仪中使用的传感器。

"芝加哥大学物理和化学教授、詹姆斯-弗兰克研究所成员菲利普-居约-西昂内斯特(Philippe Guyot-Sionnest)是发表在《自然-光子学》(Nature Photonics)上论文的三位作者之一。"我们对未来的可能性感到非常兴奋。

合适的波长

胶体量子点是一种微小晶体--你可以在这句话末尾的句号里塞进十亿个量子点--它们能发出不同颜色的光,这取决于你把它们做得多大。它们非常高效,易于制造,已经被用于商业技术中;你可能已经买了一台量子点电视而不自知。

不过,这些量子点是用来制造可见光波段的光--人类可以看到的光谱部分。如果你想要红外波段的量子点光,那你就太不走运了。

但红外光有很多用途。特别是,它对制造传感器非常有用。例如,如果你想知道汽车尾气中是否含有有害气体,或测试你的呼气是否超过法定酒精浓度,或确保钻探设备中不含有甲烷气体,你就会用到红外线。这是因为不同类型的分子都会吸收特定波长的红外线,因此很容易区分。

"这项新研究的第一作者、研究生沈星宇解释说:"因此,用量子点制造红外光的成本效益高且易于使用的方法可能非常有用。

科学家展示了利用量子点制造红外光的改进型新方法

Philippe Guyot-Sionnest 教授和沈星宇在芝加哥大学戈登综合科学中心的实验室。图片来源:Jean Lachat

目前,红外线激光器是通过一种称为分子外延的方法制造的,这种方法效果很好,但需要大量的人力和成本。科学家们认为可能有另一种方法。

Guyot-Sionnest 和他的团队多年来一直在尝试量子点和红外技术。在之前发明的基础上,他们开始尝试重新创造一种 "级联 "技术,这种技术被广泛用于制造激光器,但从未在胶体量子点上实现过。

在这种 "级联 "技术中,研究人员在一个装置上通电,数百万个电子就会穿过该装置。如果装置的结构恰到好处,电子就会穿过一系列不同的能级,就像从一系列瀑布落下一样。电子每下降一个能级,就有机会将部分能量以光的形式发射出去。

研究人员想知道,他们能否利用量子点产生同样的效果。他们制作了一种由数万亿微小纳米晶体组成的黑色 "墨水",将其涂抹在表面上并通过电流。

"居约-西昂内斯特说:"我们认为这很有可能奏效,但它的效果真的让我们大吃一惊。"从第一次尝试开始,我们就立刻看到了光"。

事实上,他们发现,即使是在探索性实验中,这种方法的效率已经不亚于其他产生红外光的传统方法。科学家们说,经过进一步修补,这种方法可以轻松超越现有方法。

潜在应用

他们希望这一发现能大大降低红外灯和激光器的成本,从而开辟新的应用领域。

"我认为这是量子点潜在应用的最佳范例之一,"Guyot-Sionnest 说。Guyot-Sionnest说:"许多其他应用都可以通过其他材料实现,但这种结构真正起作用是因为量子力学。我认为它以一种非常有趣的方式推动了这一领域的发展。

参考资料

Xingyu Shen et al, Mid-infrared cascade intraband electroluminescence with HgSe–CdSe core–shell colloidal quantum dots,Nature Photonics(2023).DOI: 10.1038/s41566-023-01270-5​

本文由光电查搜集整理,未经同行评议,请自行判断可信度。仅供学习使用。

文章分类: 光电百科
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