Eine Studie veröffentlicht In Nano-Buchstaben demonstriert die Verwendung von Quantenpunkten zum Erstellen von Metaoberflächen, wodurch zwei Objekte im selben Raum existieren können.
Forscher der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) verwendeten Nanoimprint Lithography (NIL), um Metaoberflächen mit eingebetteten Quantenpunkten herzustellen und so deren Lumineszenzeffizienz zu verbessern. Zum Team gehörten Professor Junsuk Rho von der Fakultät für Maschinenbau, der Fakultät für Chemieingenieurwesen und der Fakultät für Elektrotechnik, die Doktoranden Minsu Jeong, Byoungsu Ko und Jaekyung Kim von der Fakultät für Maschinenbau sowie Chunghwan Jung, ein Doktorand von der Fakultät für Chemieingenieurwesen.
NIL, ein Verfahren zur Erzeugung optischer Metaoberflächen, verwendet gemusterte Stempel, um schnell komplizierte Muster im Nanometermaßstab (nm) zu übertragen. Diese Methode bietet Kostenvorteile gegenüber Elektronenstrahllithografie und anderen Verfahren. Sie hat den Vorteil, dass sie die Erzeugung von Metaoberflächen mit Materialien ermöglicht, die in herkömmlichen Verfahren nicht verfügbar sind.
Metaoberflächen standen in jüngster Zeit im Fokus umfangreicher Forschungen aufgrund ihrer Fähigkeit, die Polarisation und Emissionsrichtung des Lichts von Quantenpunkten zu steuern.
Quantenpunkte, nanometergroße Halbleiterpartikel, sind hocheffiziente Lichtemitter, die Licht bei präzisen Wellenlängen aussenden können. Daher werden sie häufig in Anwendungen wie QLEDs und Quantencomputern eingesetzt. Mit herkömmlichen Verfahren lassen sich Quantenpunkte jedoch nicht in Metaoberflächen einbetten.
Aus diesem Grund werden in der Forschung Metaoberflächen und Quantenpunkte häufig separat hergestellt und dann kombiniert, was Einschränkungen bei der Kontrolle der Lumineszenz der Quantenpunkte mit sich bringt.
In dieser Studie integrierten die Forscher Quantenpunkte mit Titandioxid (TiO2), einem im NIL-Prozess verwendeten Material, um eine Metaoberfläche zu erzeugen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, bei denen die Metaoberfläche und die Quantenpunkte getrennt hergestellt und dann kombiniert werden, werden die Quantenpunkte bei diesem Ansatz während der Erzeugung direkt in die Metaoberfläche eingebettet.
Die resultierende Metaoberfläche erhöht den Anteil der von den Quantenpunkten emittierten Photonen, die mit dem Resonanzmodus der Metaoberfläche gekoppelt sind. Dieser Fortschritt ermöglicht im Vergleich zu früheren Methoden eine effektivere Kontrolle über die spezifische Richtung des von den Quantenpunkten emittierten Lichts.
Experimente zeigten, dass die Lumineszenzeffizienz umso höher war, je mehr Photonen von den Quantenpunkten emittiert wurden, die an die Resonanzmodi der Metaoberfläche gekoppelt waren. Die Metaoberfläche des Teams erreichte eine bis zu 25-mal höhere Lumineszenzeffizienz im Vergleich zu einer einfachen Beschichtung mit Quantenpunkten.
Professor Rho, der die Forschung leitete, sagte: „Die Verwendung von lumineszenzgesteuerten Metaoberflächen wird schärfere, hellere Displays und präzisere, empfindlichere Biosensoren ermöglichen. Weitere Forschungen werden es uns ermöglichen, die Lumineszenz effektiver zu steuern, was zu Fortschritten in Bereichen wie nanooptischen Sensoren, optoelektronischen Geräten und Quantenpunktdisplays führen wird.“
Mehr Informationen:
Minsu Jeong et al, Druckbare lichtemittierende Metaoberflächen mit verstärkter gerichteter Photolumineszenz, Nano-Buchstaben (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c00871