Kropki kwantowe (QD) to skupiska ok. 1000 atomów, które działają jak kolektyw. Kiedy łączy się kropki kwantowe w celu utworzenia funkcjonalnego urządzenia, często traci się ich właściwości. Jest jednak sposób, by temu przeciwdziałać. Wykorzystując tzw. samoorganizację, zespół fizyków z Uniwersytetu w Groningen stworzył wysoce przewodzący metamateriał optoelektroniczny. Szczegóły opisano w czasopiśmie Advanced Materials.
Po co nam kropki kwantowe?
Kropki kwantowe to struktury o wielkości 2-10 nm. Te nanokryształy wykazują cechy pośrednie między półprzewodnikami a cząstkami kwantowymi. Mogą pochłaniać i emitować promieniowanie, co wynika z występowania efektu ograniczenia kwantowego – w praktyce oznacza to, że energia emitowanych przez nie fotonów zależy zarówno od składu kryształu, jak i jego wielkości. W celu otrzymywania kropek kwantowych wykorzystywane są różne związki pierwiastków grupy II oraz IV, np. CdSe, CdTe, CdS1CdHg, ZnS, a także grupy III i V, np. InAs, InP, GaN, GaAs.
Kropki kwantowe PbSe i PbS przekształcają krótkofalowe promieniowanie podczerwone w prąd elektryczny. To przydatna cecha, tak bardzo pożądana w tworzeniu detektorów lub przełączników.
Czytaj też: Sztuczna synapsa protonowa milion razy szybsza od naturalnej. Nadchodzi przełom w komputerach kwantowych?
Prof. Maria Antonietta Loi z Uniwersytetu w Groningen mówi:
Pojedyncza kropka kwantowa nie tworzy urządzenia, a kiedy się je łączy, często tracimy unikalne właściwości optyczne pojedynczych kropek lub ich zdolność do transportu nośników ładunku staje się bardzo słaba. Dzieje się tak, ponieważ trudno jest stworzyć uporządkowany materiał z kropek.
Zespół prof. Loi pracował nad stworzeniem metamateriału z koloidalnego roztworu kropek kwantowych. Wykazują one wysoką przewodność, gdy łączą się w uporządkowane warstwy, jednocześnie zachowując swoje właściwości optyczne. To dlatego, że podlegają prawom samoorganizacji.
Prof. Loi dodaje:
Wiedzieliśmy z wcześniejszych badań, że kropki mogą samoorganizować się w dwuwymiarowe, uporządkowane warstwy. Chcieliśmy rozszerzyć to na materiał 3D. Wypełniliśmy małe pojemniki cieczą, która działała jak “materac” dla koloidalnych kropek kwantowych. Wstrzykując niewielką ilość na powierzchnię cieczy, stworzyliśmy materiał 2D. Następnie dodanie większej objętości kropek kwantowych okazało się wytwarzać uporządkowany materiał 3D.
Warto podkreślić, że kropki kwantowe nie są zanurzone w cieczy, ale samoorganizują się na powierzchni. Przeprowadzony eksperyment otwiera drogę do stworzenia nowych metamateriałów opartych na kropkach kwantowych.
Prof. Loi podsumowuje:
Ludzie marzyli o osiągnięciu tego celu od lat 80. ubiegłego wieku. Tak długo podejmowano próby złożenia kropek kwantowych w funkcjonalne materiały. Kontrola struktury i właściwości, które osiągnęliśmy, przerosły nasze najśmielsze oczekiwania.