Fluorescensintermittens i kolloidala nanokristaller
Blinkande kolloidala nanokristaller är ett fenomen som observerats under studier av enskilda kolloidala nanokristaller som visar att de slumpmässigt slår på och av sin fotoluminescens även under kontinuerlig ljusbelysning. Detta har också beskrivits som luminescensintermittens . Liknande beteende har observerats i kristaller gjorda av andra material. Till exempel uppvisar poröst kisel också denna effekt.
Kolloidala nanokristaller
Kolloidala nanokristaller är en ny klass av optiska material som i huvudsak utgör en ny form av materia som kan betraktas som "konstgjorda atomer". Liksom atomer har de diskreta optiska energispektra som är avstämbara över ett brett spektrum av våglängder. Det önskade beteendet och överföringen korrelerar direkt med deras storlek. För att ändra den emitterade våglängden växer kristallen större eller mindre. Deras elektroniska och optiska egenskaper kan kontrolleras med denna metod. Till exempel, för att ändra emissionen från en synlig våglängd till en annan använd helt enkelt en större eller mindre växt kristall. Emellertid skulle denna process inte vara effektiv i konventionella halvledare såsom galliumarsenid .
Nanokristallstorleken styr ett brett inställbart absorptionsband vilket resulterar i brett avstämbara emissionsspektra . Denna inställning i kombination med den optiska stabiliteten hos nanokristaller och den stora kemiska flexibiliteten i nanokristalltillväxten har resulterat i de utbredda nanokristalltillämpningarna som används idag. Praktiska utrustningstillämpningar sträcker sig från lågtröskellasrar till solceller och biologisk avbildning och spårning.
Slumpmässigt beteende
Studier av enkla kolloidala nanokristaller visar att de slumpmässigt slår på och av sin fotoluminescens även under kontinuerlig ljusbelysning. Detta tenderar att hindra framsteg för ingenjörer och forskare som studerar enskilda kolloidala nanokristaller och försöker använda deras fluorescerande egenskaper för biologisk avbildning eller laserning .
Blinkandet i nanokristaller rapporterades första gången 1996. Upptäckten var oväntad. Konsensus är att blinkning händer eftersom upplysta nanokristaller kan laddas (eller joniseras ) och sedan neutraliseras. Under normala förhållanden när nanokristall är neutral, exciterar en foton ett elektron-hålpar , som sedan rekombinerar, avger en annan foton och leder till fotoluminescens. Denna process kallas strålningsrekombination . Om emellertid nanokristallen laddas, utlöser den extra bäraren en process som kallas icke-strålande Auger-rekombination , där excitonenergi överförs till en extra elektron eller ett extra hål. Augerrekombination sker storleksordningar snabbare än strålningsrekombinationen. Så fotoluminescens är nästan helt undertryckt i laddade nanokristaller. Forskare förstår fortfarande inte helt ursprunget till laddnings- och neutraliseringsprocessen. En av de fotoexciterade bärarna (elektronen eller hålet) måste kastas ut från nanokristallen. Vid något senare tillfälle återgår den utstötta laddningen till nanokristallen (återställer laddningsneutralitet och därför strålningsrekombination). Detaljerna om hur dessa processer uppstår är fortfarande inte förstått.
Lösningar
Forskare försöker eliminera problemet med blinkande nanokristaller. En vanlig lösning är att undertrycka nanokristalljonisering. Detta kan till exempel göras genom att odla ett mycket tjockt halvledarskal runt nanokristallkärnan. Blinkningen reducerades dock, inte eliminerades, eftersom de grundläggande processerna som ansvarar för blinkningen - den icke-strålande Auger-rekombinationen - fortfarande var närvarande.
Karakterisering
En studiemetod försöker karakterisera det blinkande beteendet genom att studera enstaka kristaller eller enstaka kvantprickar. Ett kraftfullt mikroskop används tillsammans med videoutrustning. En annan metod använder ensembler eller stora mängder kvantprickar och utvecklar statistisk information.
externa länkar
- Cartwright, Jon (10 maj 2009). "Nanokristaller slutar blinka" . Kemivärlden . Royal Society of Chemistry . Hämtad 2012-08-20 .
- Mullins, Justin (2012). "Hur man manipulerar nanopartiklar med laser". Fysik . 5 : 95. Bibcode : 2012PhyOJ...5...95M . doi : 10.1103/Physics.5.95 . Artikel tillgänglig för allmänheten.
- García-Santamaría, F.; Chen, Y.; Vela, J.; Schaller, RD; Hollingsworth, JA; Klimov, VI (2009). "Undertryckt skruvrekombination i "gigantiska" nanokristaller ökar optisk förstärkningsprestanda" . Nanobokstäver . 9 (10): 3482–3488. Bibcode : 2009NanoL...9.3482G . doi : 10.1021/nl901681d . PMC 2897714 . PMID 19505082 .
- Crouch, Catherine H.; Sauter, Orion; Wu, Xiaohua; Purcell, Robert; Querner, Claudia; Drndic, Marija; Pelton, Matthew (2010). "Fakta och artefakter i den blinkande statistiken för halvledarnanokristaller" ( PDF) . Nanobokstäver . 10 (5): 1692–1698. Bibcode : 2010NanoL..10.1692C . doi : 10.1021/nl100030e . PMID 20364845 .
- SMITH AM; NIE S (2010). "Halvledarnanokristaller: struktur, egenskaper och bandgapteknik" . Redovisningar för kemisk forskning . 43 (2): 190–200. doi : 10.1021/ar9001069 . PMC 2858563 . PMID 19827808 .
- Erwin, Steven C.; Zu, Lijun; Haftel, Michael I.; Efros, Alexander L.; Kennedy, Thomas A.; Norris, David J. (2005). "Dopning av halvledarnanokristaller". Naturen . 436 (7047): 91–94. Bibcode : 2005Natur.436...91E . doi : 10.1038/nature03832 . PMID 16001066 . S2CID 23057625 .
- Smith, AM; Nie, S. (2009). "Nästa generations kvantprickar" . Natur Bioteknik . 27 (8): 732–733. doi : 10.1038/nbt0809-732 . PMC 2854554 . PMID 19668181 .
- Spinicelli, Piernicola; Mahler, Benoit; Bygg, Stéphanie; Quélin, Xavier; Dubertret, Benoit; Hermier, Jean-Pierre; et al. (2009). "Icke-blinkande halvledarkolloidala kvantprickar för". ChemPhysChem . 10 (6): 879–82. doi : 10.1002/cphc.200800827 . PMID 19294684 .
- US-patent 8,197,720