Metode titik kuantum baru untuk menghasilkan cahaya inframerah membuka pintu bagi laser inframerah tengah dan sensor yang hemat biaya.
Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Philippe Guyot Sionnest, seorang profesor fisika dan kimia di Universitas Chicago, baru-baru ini menemukan cara untuk menghasilkan cahaya inframerah melalui titik-titik kuantum koloid yang membuka pintu kemungkinan untuk mendefinisikan ulang rentang inframerah-tengah (3 hingga 5 µm), karena titik yang mereka peroleh pada percobaan pertama hampir sama efektifnya dengan metode konvensional yang ada.
Titik kuantum koloid adalah nanokristal/partikel semikonduktor dengan diameter sekitar 5 hingga 20 nm, biasanya terbuat dari kadmium selenida (CdSe), kadmium sulfida (CdS), timbal sulfida (PbS), seng oksida (ZnO), dan indium fosfida (InP). ), yang memiliki sifat optik dan elektronik yang unik. Gelombang elektron beresonansi di dalam partikel-partikel ini, seperti gelombang suara atau cahaya di dalam rongga, dan hal ini menciptakan kondisi stabil yang dapat disesuaikan secara spektral dengan ukuran nanokristal.
Titik kuantum yang menghasilkan cahaya tampak telah ditemukan pada produk komersial seperti dioda pemancar cahaya (LED) dan televisi. Namun sejauh ini, jika menginginkan titik-titik kuantum yang dapat menghasilkan cahaya inframerah-tengah, hal tersebut biasanya sulit dicapai.
Meskipun molekul organik terbuat dari atom-atom ringan, yang ideal untuk pewarna dan fluoresensi dalam rentang cahaya tampak, molekul-molekul tersebut tidak bekerja dengan baik dalam rentang inframerah-tengah, di mana molekul juga bergetar di wilayah inframerah-tengah dan dengan cepat menekan elektron. perangsangan.
Bahan kuantum dot semikonduktor anorganik dapat larut seperti molekul pewarna dan memiliki eksitasi elektronik yang dapat diatur pada pita inframerah tengah, namun bahan tersebut terdiri dari atom-atom berat yang bergetar pada frekuensi yang jauh lebih rendah, sehingga menjadikannya bahan inframerah yang baik dan bahan yang dapat diproses dalam larutan,” kata Guyot. Sionnest. Itulah yang memberi kami ide untuk mempelajari titik kuantum semikonduktor inframerah - hal ini dimulai 25 tahun yang lalu."
Laser inframerah saat ini dibuat melalui proses epitaksi molekuler, yang meskipun efektif, memerlukan banyak tenaga kerja dan mahal. Oleh karena itu, para peneliti ingin menciptakan cara yang lebih baik untuk mewujudkan laser inframerah berdasarkan titik kuantum.
Mekanika kuantum dan efek kaskade
Tim memutuskan untuk mengeksplorasi teknik “cascade” yang banyak digunakan untuk membuat laser. Untuk melakukan hal ini, mereka membuat tinta hitam yang terbuat dari triliunan nanokristal HgSe/CdSe inti/cangkang kecil, melapisinya dengan elektroda konduktif, menguapkan elektroda konduktif kedua di atasnya, dan memberinya energi.
Metode mereka melibatkan mengalirkan arus listrik melalui perangkat, mengirimkan jutaan elektron ke perangkat. Jika berhasil, elektron akan melewati serangkaian tingkat energi yang berbeda, mirip dengan jatuhnya serangkaian air terjun. Setiap kali elektron turun tingkat energinya, ia mendapat peluang untuk memancarkan energi dalam bentuk cahaya. Ia bekerja berkat mekanika kuantum.
Guyot Sionnest menjelaskan, "Dalam LED kaskade, kita menangani dua keadaan titik kuantum: keadaan dasar terendah, yang analog dengan keadaan s atom hidrogen, dan keadaan tereksitasi pertama, yang analog dengan keadaan p. ." Ketika sebuah elektron berelaksasi dari keadaan p ke keadaan s, ia memancarkan cahaya inframerah-tengah. Bias antar titik memungkinkan elektron melakukan terowongan dari keadaan s ini ke keadaan p pada titik berikutnya, dan seterusnya."
Yang mengejutkan tim, mereka melihat cahaya pada upaya pertama mereka untuk menghasilkan cahaya inframerah melalui titik-titik kuantum koloid. Guyot Sionnest mengatakan, "Upaya pertama pada metode baru kami untuk menghasilkan cahaya inframerah sangat efektif, dan efisiensi menghasilkan cahaya dalam titik kuantum ditingkatkan, kinerjanya akan meningkat beberapa kali lipat. Sumber cahaya ini kemudian akan mampu mencapai efisiensi yang belum pernah terjadi sebelumnya dan biaya rendah."
Guyot Sionnest menjelaskan, “Penerowongan yang diinginkan dari keadaan s dari satu titik kuantum ke keadaan p dari titik kuantum berikutnya masih jauh dari jelas, karena dimungkinkan juga untuk berpindah dari keadaan s dari satu titik ke titik kuantum berikutnya. keadaan s berikutnya. Awalnya kami berpikir bahwa preferensi ini memerlukan resonansi pada bias yang disetel dengan baik, namun dalam beberapa cara yang belum diketahui, elektron tersusun dalam kaskade daripada mengalir ke bawah, sehingga bias tidak menjadi masalah."
Tidak ada tantangan besar yang terlibat dalam pekerjaan ini, karena ini merupakan aplikasi dari pekerjaan tim sebelumnya dalam membuat titik-titik kuantum inframerah fluoresen di laboratorium, dan mereka sudah memiliki pengalaman membuat LED inframerah-tengah pertama dengan titik-titik kuantum, dan mengukurnya. cahaya keluaran.
“Tetapi hal ini memerlukan kombinasi keterampilan yang tidak biasa pada antarmuka kimia dan fisik.” Guyot Sionnest mengatakan, "terima kasih kepada Xinygyu Shen dan Ananth Kamath. sangat sedikit tim yang mampu menggabungkan keterampilan kimia untuk membuat titik-titik kuantum, alat fabrikasi untuk membuat perangkat, dan instrumentasi inframerah-tengah untuk mengkarakterisasi titik-titik tersebut."
Sensor gas optik dan laser
Penerapan cahaya inframerah yang paling jelas dan mungkin dihasilkan melalui titik-titik kuantum adalah sensor gas optik, kata Guyot Sionnest: "Produksi massal LED titik kuantum yang cepat dan efisien, serta detektor titik kuantum yang cepat dan efisien, akan membuat penginderaan gas optik jauh lebih murah. dibandingkan teknologi semikonduktor saat ini. Teknologi ini juga akan memberikan sensitivitas yang lebih baik dibandingkan teknologi berbiaya rendah yang berbasis pada sumber panas dan detektor termoelektrik."
Laser mungkin merupakan perpanjangan dari pekerjaan ini, namun belum ada kepastian bahwa hal tersebut akan terealisasi. Selain itu, aplikasi komersial mungkin memerlukan penggunaan titik kuantum yang bebas dari unsur beracun dan diatur seperti merkuri, kadmium, dan timbal.
Xingyu Shen, seorang mahasiswa pascasarjana di Guyot Sionnest, berkata, "Metode yang hemat biaya dan mudah digunakan untuk menciptakan cahaya inframerah dari titik-titik kuantum bisa sangat berguna."
