Silicium quantum dots – efficiënte lichtuitzending met koolstofcoating

afbeelding 1: Op grootte geselecteerde lichtuitzending Geëxciteerd op (van links naar rechts) 495, 483, 465, 450, 380, 330 nm

afbeelding 2: 'Direct bandgap'-achtige aard van de transitie in de laagste geëxciteerde toestand Veroorzaakt door de gewijzigde elektronen en totale golffuncties in met koolstof bewerkte silicium QD's

Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam, Universiteit Wageningen, Universiteit Twente en de Stichting FOM hebben als eersten een manier gevonden om de optische eigenschappen van silicium QD’s te versterken. Hierdoor zijn ze qua emissiekwaliteit en spectrumconversie gelijkwaardig aan die van daadwerkelijk actieve materialen, zoals QD’s van het inmiddels verboden giftige materiaal cadmium-selenium. Ze publiceren er vandaag online over in ‘Light: Science & Applications’. 

Quantum dots in toepassingen
Materialen die op een efficiënte manier licht uitzenden en/of absorberen kennen vele toepassingen: van fluorescerende materialen, LED-verlichting, lasers en displays tot sensoren, fotodetectoren, zonnecellen en medische beelddiagnostiek. Quantum dots (QD’s), of halfgeleider nanokristallen met een directe bandgap, zijn niet alleen goed in het uitzenden en absorberen van licht, maar hun spectrum kan bovendien van blauw naar rood worden omgezet door de QD’s op grootte te selecteren. QD’s van cadmium-selenium (CdSe) zijn waarschijnlijk de beste lichtuitzendende nanokristallen. Ze werden gebruikt in de eerste prototypen van QD’s voor LED’s, maar zijn nu verboden vanwege hun giftige eigenschappen. Andere materialen zijn zeldzaam, niet verkrijgbaar of te duur.

Silicium is duurzame vervanging
De onderzoekers tonen nu zowel experimenteel als theoretisch aan dat de oppervlaktechemie van silicium QD’s met behulp van koolstofcoating zodanig gemanipuleerd kan worden dat er een ‘directe bandgap’ transitie resulteert, in de laagste geëxciteerde toestand, zonder al te veel veranderingen in de energiestructuur van de verschillende niveaus. Dit betekent dat de spectrumconversie van de QD’s op basis van hun grootte intact blijft. Dit biedt voor de eerste maal een ongevaarlijke, duurzame vervanging op basis van silicium voor de bestaande giftige QD’s, zonder afbreuk te doen aan de optische eigenschappen en functionaliteit. Toekomstig onderzoek zal zich richten op de optimalisering van de oppervlaktedekking en verbeteringen van de selectie op grootte.

Dohnalova et al., Light: Science & Applications: http://www.nature.com/lsa/journal/v2/n1/full/lsa20133a.html