Wissenschaftler demonstrieren mit Quantenpunkten eine neue, verbesserte Möglichkeit, Infrarotlicht zu erzeugen

Wissenschaftler der University of Chicago haben eine Möglichkeit aufgezeigt, mithilfe kolloidaler Quantenpunkte Infrarotlicht zu erzeugen. Die Forscher sagten, die Methode sei vielversprechend; Die Dots sind bereits so effizient wie bestehende herkömmliche Methoden, auch wenn sich die Experimente noch in einem frühen Stadium befinden.

Die Punkte könnten eines Tages die Grundlage für Infrarotlaser sowie kleine und kostengünstige Sensoren bilden, etwa für Abgastests oder Alkoholtester.

„Derzeit liegt die Leistung dieser Punkte nahe an der Leistung bestehender kommerzieller Infrarotlichtquellen, und wir haben Grund zu der Annahme, dass wir diese deutlich verbessern könnten“, sagte Philippe Guyot-Sionnest, Professor für Physik und Chemie an der University of Chicago, Mitglied von des James Frank Institute und einer von drei Autoren des in veröffentlichten Artikels Naturphotonik. „Wir sind sehr gespannt auf die Möglichkeiten.“

Die richtige Wellenlänge

Kolloidale Quantenpunkte sind winzige Kristalle – in den Punkt am Ende dieses Satzes könnte man eine Milliarde einfügen –, die je nach Größe unterschiedliche Lichtfarben aussenden. Sie sind sehr effizient und einfach herzustellen und werden bereits in der kommerziellen Technologie eingesetzt; Möglicherweise haben Sie bereits einen Quantum-Dot-Fernseher gekauft, ohne es zu wissen.

Diese Quantenpunkte werden jedoch verwendet, um Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich zu erzeugen – dem Teil des Spektrums, den Menschen sehen können. Wenn Sie Quantenpunktlicht im infraroten Wellenlängenbereich wollten, hatten Sie meist kein Glück.

Aber Infrarotlicht hat viele Einsatzmöglichkeiten. Insbesondere ist es für die Herstellung von Sensoren sehr nützlich. Wenn Sie wissen möchten, ob schädliche Gase aus den Abgasen Ihres Autos austreten, oder testen möchten, ob Ihr Atem über dem gesetzlichen Alkoholgrenzwert liegt, oder sicherstellen möchten, dass beispielsweise kein Methangas aus Ihrer Bohranlage austritt, verwenden Sie Infrarotlicht . Das liegt daran, dass verschiedene Arten von Molekülen jeweils Infrarotlicht einer ganz bestimmten Wellenlänge absorbieren und daher leicht voneinander zu unterscheiden sind.

„Daher könnte eine kostengünstige und einfach anzuwendende Methode zur Erzeugung von Infrarotlicht mit Quantenpunkten sehr nützlich sein“, erklärte Xingyu Shen, ein Doktorand und Erstautor der neuen Studie.

Infrarotlaser werden heute durch eine Methode namens molekulare Epitaxie hergestellt, die gut funktioniert, aber arbeits- und kostenintensiv ist. Die Wissenschaftler dachten, es könnte einen anderen Weg geben.

Guyot-Sionnest und sein Team experimentieren seit Jahren mit Quantenpunkten und Infrarottechnologie. Aufbauend auf ihren früheren Erfindungen versuchten sie, eine „Kaskaden“-Technik nachzubilden, die häufig zur Herstellung von Lasern verwendet wird, mit kolloidalen Quantenpunkten jedoch nie erreicht wurde.

Bei dieser „Kaskaden“-Technik leiten Forscher einen elektrischen Strom durch ein Gerät, wodurch Millionen von Elektronen darüber wandern. Wenn die Architektur des Geräts genau richtig ist, durchlaufen die Elektronen eine Reihe unterschiedlicher Energieniveaus, als würden sie eine Reihe von Wasserfällen hinunterfallen. Jedes Mal, wenn das Elektron ein Energieniveau absinkt, hat es die Chance, einen Teil dieser Energie als Licht abzugeben.

Die Forscher fragten sich, ob sie mit Quantenpunkten denselben Effekt erzielen könnten. Sie erzeugten eine schwarze „Tinte“ aus Billionen winziger Nanokristalle, verteilten sie auf einer Oberfläche und schickten elektrischen Strom hindurch.

„Wir dachten, dass es wahrscheinlich funktionieren würde, aber wir waren wirklich überrascht, wie gut es funktionierte“, sagte Guyot-Sionnest. „Sofort, als wir es zum ersten Mal ausprobierten, sahen wir Licht.“

Tatsächlich stellten sie fest, dass die Methode selbst in explorativen Experimenten bereits genauso effizient war wie andere herkömmliche Methoden zur Erzeugung von Infrarotlicht. Mit weiteren Verbesserungen, so die Wissenschaftler, könnte die Methode bestehende Methoden leicht übertreffen.

Anwendungsmöglichkeiten

Sie hoffen, dass die Entdeckung zu deutlich günstigeren Infrarotlichtern und -lasern führen könnte, was neue Anwendungen eröffnen könnte.

„Ich denke, es ist eines der besten Beispiele für eine mögliche Anwendung von Quantenpunkten“, sagte Guyot-Sionnest. „Viele weitere Anwendungen könnten mit anderen Materialien erreicht werden, aber diese Architektur funktioniert wirklich nur aufgrund der Quantenmechanik. Ich denke, sie treibt das Gebiet auf wirklich interessante Weise voran.“