Перемежаемость флуоресценции в коллоидных нанокристаллах

Мигание коллоидных нанокристаллов — это явление, наблюдаемое при исследованиях одиночных коллоидных нанокристаллов и показывающее, что они случайным образом включают и выключают свою фотолюминесценцию даже при непрерывном освещении. ^{[ 1 ]} Это также описывается как прерывистость люминесценции . ^{[ 1 ]} Аналогичное поведение наблюдалось и в кристаллах из других материалов. Например, пористый кремний также обладает этим эффектом. ^{[ 1 ]}

Коллоидные нанокристаллы

Коллоидные нанокристаллы — это новый класс оптических материалов , которые по сути представляют собой новую форму материи, которую можно рассматривать как «искусственные атомы». Как и атомы, они имеют дискретные оптические энергетические спектры , которые можно перестраивать в широком диапазоне длин волн. Желаемое поведение и передача напрямую зависят от их размера. Чтобы изменить длину волны излучения, кристалл увеличивают или уменьшают. Этим методом можно контролировать их электронные и оптические свойства. Например, чтобы изменить излучение с одной видимой длины волны на другую, просто используйте выращенный кристалл большего или меньшего размера. Однако этот процесс не будет эффективен в обычных полупроводниках, таких как арсенид галлия . ^{[ 2 ]}

Размер нанокристаллов контролирует широко настраиваемую полосу поглощения, что приводит к широко настраиваемым спектрам излучения . Эта возможность настройки в сочетании с оптической стабильностью нанокристаллов и большой химической гибкостью при выращивании нанокристаллов привела к широкому использованию нанокристаллов, используемых сегодня. Практическое применение устройств варьируется от низкопороговых лазеров до солнечных батарей и биологических изображений и отслеживания. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Случайное поведение

Исследования одиночных коллоидных нанокристаллов показывают, что они случайным образом включают и выключают свою фотолюминесценцию даже при непрерывном освещении. Это, как правило, препятствует прогрессу инженеров и ученых, которые изучают одиночные коллоидные нанокристаллы и пытаются использовать их флуоресцентные свойства для биологической визуализации или лазерной генерации . ^{[ 3 ]}

Впервые о мерцании в нанокристаллах сообщили в 1996 году. Открытие оказалось неожиданным. Все согласны с тем, что мигание происходит потому, что освещенные нанокристаллы могут быть заряжены (или ионизированы ), а затем нейтрализованы. В нормальных условиях, когда нанокристалл нейтрален, фотон возбуждает пару электрон-дырка , которая затем рекомбинирует, испуская еще один фотон и приводя к фотолюминесценции. Этот процесс называется излучательной рекомбинацией . Однако если нанокристалл заряжен, дополнительный носитель запускает процесс, называемый безызлучательной оже-рекомбинацией , когда энергия экситона передается дополнительному электрону или дырке. Оже-рекомбинация происходит на порядки быстрее, чем излучательная рекомбинация. Таким образом, в заряженных нанокристаллах фотолюминесценция практически полностью подавляется. Ученые до сих пор не до конца понимают происхождение процесса зарядки и нейтрализации. Один из фотовозбужденных носителей (электрон или дырка) должен быть выброшен из нанокристалла. Через некоторое время выброшенный заряд возвращается в нанокристалл (восстанавливая зарядовую нейтральность и, следовательно, излучательную рекомбинацию). Детали того, как происходят эти процессы, до сих пор не изучены. ^{[ 3 ]}

Решения

Исследователи пытаются устранить проблему мерцания нанокристаллов. Одним из распространенных решений является подавление ионизации нанокристаллов. Этого можно было бы добиться, например, выращивая очень толстую полупроводниковую оболочку вокруг ядра нанокристалла. Однако моргание было уменьшено, а не устранено, поскольку фундаментальный процесс, ответственный за моргание, — безызлучательная оже-рекомбинация — все еще присутствовал. ^{[ 3 ]}^{[ 5 ]}

Характеристика

Один из методов исследования пытается охарактеризовать поведение мерцания путем изучения монокристаллов или одиночных квантовых точек. Вместе с видеоаппаратурой используется мощный микроскоп. Другой метод использует ансамбли или большое количество квантовых точек и собирает статистическую информацию. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Краусс, Тодд; Брус, Луи (1999). «Заряд, поляризуемость и фотоионизация одиночных полупроводниковых нанокристаллов» (бесплатная загрузка в формате PDF) . Письма о физических отзывах . 83 (23): 4840. Бибкод : 1999PhRvL..83.4840K . дои : 10.1103/PhysRevLett.83.4840 . Проверено 15 сентября 2012 г.
^ Картрайт, Джон (10 мая 2009 г.). «Нанокристаллы перестают мигать» . Химический мир . Королевское химическое общество . Проверено 20 августа 2012 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д
В этой статье использованы общедоступные материалы из Открытие немигающих полупроводниковых нанокристаллов . ВМС США .
- МакКинни, Донна (8 мая 2009 г.). «Открытие немигающих полупроводниковых нанокристаллов расширяет возможности их применения» . Военно-морская исследовательская лаборатория . Проверено 20 августа 2012 г.
^ Брюшес-младший, М.; Моронн, М; Джин, П; Вайс, С; Аливисатос, AP (1998). «Полупроводниковые нанокристаллы как флуоресцентные биологические метки» (бесплатная загрузка в формате PDF) . Наука . 281 (5385): 2013–6. Бибкод : 1998Sci...281.2013B . дои : 10.1126/science.281.5385.2013 . ПМИД 9748157 .
^ Сяоюн Ван и Сяофань Рен, Кит Кахен, Меган А. Хан, Манджу Раджесваран, Сара Макканьяно-Закер, Джон Силкокс, Джордж Э. Крэгг, Александр Л. Эфрос и Тодд Краусс «Немигающие полупроводниковые нанокристаллы» . Фотофизика квантовых точек и наноструктур II . Информационная база по оптике: Оптическое общество. 11 октября 2009 года . Проверено 20 августа 2012 г.
^
Пелтон, Мэтью; Гриер, Дэвид Г.; Гайо-Сионнест, Филипп (1970). «Охарактеризация мерцания квантовых точек с использованием спектров мощности шума». Письма по прикладной физике . 85 (5): 819. arXiv : cond-mat/0404589 . Бибкод : 2004ApPhL..85..819P . дои : 10.1063/1.1779356 . S2CID 16738706 .
- Также см. эту копию .
^ Коппес, Стив (19 августа 2004 г.). «Разработан новый метод измерения мерцающих нанокристаллов» . Хроники Чикагского университета. Том. 23 № 20. Проверено 24 августа 2012 г.

Внешние ссылки

Картрайт, Джон (10 мая 2009 г.). «Нанокристаллы перестают мигать» . Химический мир . Королевское химическое общество . Проверено 20 августа 2012 г.

Маллинз, Джастин (2012). «Как манипулировать наночастицами с помощью лазеров». Физика . 5 : 95. Бибкод : 2012PhyOJ...5...95M . дои : 10.1103/Физика.5.95 . Статья в открытом доступе.
Гарсиа-Сантамария, Ф.; Чен, Ю.; Вела, Дж.; Шаллер, Р.Д.; Холлингсворт, Дж.А.; Климов, В.И. (2009). «Подавление оже-рекомбинации в «гигантских» нанокристаллах повышает эффективность оптического усиления» . Нано-буквы . 9 (10): 3482–3488. Бибкод : 2009NanoL...9.3482G . дои : 10.1021/nl901681d . ПМЦ 2897714 . ПМИД 19505082 .
Крауч, Кэтрин Х.; Заутер, Орион; Ву, Сяохуа; Перселл, Роберт; Квернер, Клаудия; Дрндич, Мария; Пелтон, Мэтью (2010). «Факты и артефакты в статистике мигания полупроводниковых нанокристаллов» (PDF) . Нано-буквы . 10 (5): 1692–1698. Бибкод : 2010NanoL..10.1692C . дои : 10.1021/nl100030e . ПМИД 20364845 .
СМИТ AM; НИЕ С (2010). «Полупроводниковые нанокристаллы: структура, свойства и исследование запрещенной зоны» . Отчеты о химических исследованиях . 43 (2): 190–200. дои : 10.1021/ar9001069 . ПМЦ 2858563 . ПМИД 19827808 .
Эрвин, Стивен С.; Цзу, Лицзюнь; Хафтель, Майкл И.; Эфрос, Александр Л.; Кеннеди, Томас А.; Норрис, Дэвид Дж. (2005). «Легирование полупроводниковых нанокристаллов». Природа . 436 (7047): 91–94. Бибкод : 2005Natur.436...91E . дои : 10.1038/nature03832 . ПМИД 16001066 . S2CID 23057625 .
Смит, AM; Не, С. (2009). «Квантовые точки нового поколения» . Природная биотехнология . 27 (8): 732–733. дои : 10.1038/nbt0809-732 . ПМЦ 2854554 . ПМИД 19668181 .
Спинечелли, Перникола; Малер, Бенуа; Буйль, Стефани; Келин, Ксавье; Дюбертре, Бенуа; Эрмье, Жан-Пьер; и др. (2009). «Немигающие полупроводниковые коллоидные квантовые точки». ХимияФизХим . 10 (6): 879–82. дои : 10.1002/cphc.200800827 . ПМИД 19294684 .
Патент США 8 197 720

[Krauss-1] Jump up to: ^а ^б ^с Краусс, Тодд; Брус, Луи (1999). «Заряд, поляризуемость и фотоионизация одиночных полупроводниковых нанокристаллов» (бесплатная загрузка в формате PDF) . Письма о физических отзывах . 83 (23): 4840. Бибкод : 1999PhRvL..83.4840K . дои : 10.1103/PhysRevLett.83.4840 . Проверено 15 сентября 2012 г.

[cartwright-2] Картрайт, Джон (10 мая 2009 г.). «Нанокристаллы перестают мигать» . Химический мир . Королевское химическое общество . Проверено 20 августа 2012 г.

[blink-nrl-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д В этой статье использованы общедоступные материалы из Открытие немигающих полупроводниковых нанокристаллов . ВМС США .
МакКинни, Донна (8 мая 2009 г.). «Открытие немигающих полупроводниковых нанокристаллов расширяет возможности их применения» . Военно-морская исследовательская лаборатория . Проверено 20 августа 2012 г.

[4] МакКинни, Донна (8 мая 2009 г.). «Открытие немигающих полупроводниковых нанокристаллов расширяет возможности их применения» . Военно-морская исследовательская лаборатория . Проверено 20 августа 2012 г.

[bruchez-4] Брюшес-младший, М.; Моронн, М; Джин, П; Вайс, С; Аливисатос, AP (1998). «Полупроводниковые нанокристаллы как флуоресцентные биологические метки» (бесплатная загрузка в формате PDF) . Наука . 281 (5385): 2013–6. Бибкод : 1998Sci...281.2013B . дои : 10.1126/science.281.5385.2013 . ПМИД 9748157 .

[conference-5] Сяоюн Ван и Сяофань Рен, Кит Кахен, Меган А. Хан, Манджу Раджесваран, Сара Макканьяно-Закер, Джон Силкокс, Джордж Э. Крэгг, Александр Л. Эфрос и Тодд Краусс «Немигающие полупроводниковые нанокристаллы» . Фотофизика квантовых точек и наноструктур II . Информационная база по оптике: Оптическое общество. 11 октября 2009 года . Проверено 20 августа 2012 г.

[pelton-6] Пелтон, Мэтью; Гриер, Дэвид Г.; Гайо-Сионнест, Филипп (1970). «Охарактеризация мерцания квантовых точек с использованием спектров мощности шума». Письма по прикладной физике . 85 (5): 819. arXiv : cond-mat/0404589 . Бибкод : 2004ApPhL..85..819P . дои : 10.1063/1.1779356 . S2CID 16738706 .
Также см. эту копию .

[8] Также см. эту копию .

[koppes-7] Коппес, Стив (19 августа 2004 г.). «Разработан новый метод измерения мерцающих нанокристаллов» . Хроники Чикагского университета. Том. 23 № 20. Проверено 24 августа 2012 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]