一种产生红外光的新型量子点方法，为中红外激光器和具有成本效益的传感器打开了大门。

文/Sally Cole Johnson

图1：Philippe Guyot Sionnest（右）和Xingyu Shen在芝加哥大学戈登综合科学中心的实验室里。（图片来源：芝加哥大学）

芝加哥大学物理学和化学教授Philippe Guyot Sionnest领导的一个研究小组，最近发现了一种通过胶体量子点产生红外光的方法，该方法为重新定义中红外范围（3~5µm）的可能性打开了大门，因为他们第一次尝试获得的点几乎与现有的传统方法一样有效。

胶体量子点是直径约5~20nm的半导体纳米晶体/颗粒，通常由硒化镉（CdSe）、硫化镉（CdS）、硫化铅（PbS）、氧化锌（ZnO）和磷化铟（InP）等制成，具有独特的光学和电子特性。电子波在这些粒子内部共振，就像空腔中的声波或光波一样，它会产生可根据纳米晶体的大小进行光谱调谐的稳态。

在发光二极管（LED）和电视等商业产品中，已经发现了能产生可见光的量子点。但到目前为止，如果想要能够产生中红外光的量子点，通常情况下很难实现。

虽然有机分子是由轻原子制成的，在可见光范围内是染料和荧光的理想选择，但它们在中红外范围内的表现并不那么好，因为分子振动也在中红外区域，并迅速抑制电子激发。

Guyot Sionnest说：“无机半导体量子点材料像染料分子一样可溶，在中红外波段具有可调谐的电子激发，但它们是由振动频率低得多的重原子组成的，这使它们成为良好的红外和溶液可加工材料。这就是我们研究红外半导体量子点的想法——它始于25年前。”

红外激光器目前是通过分子外延工艺制造的，尽管效果很好，但劳动密集且价格昂贵。因此，研究人员想基于量子点创建一种实现红外激光器的更好方法。

量子力学与级联效应

该团队决定探索一种广泛用于制造激光器的“级联”技术。为了做到这一点，他们制作了一种由数万亿微小核/壳HgSe/CdSe纳米晶体制成的黑色墨水，将其涂在导电电极上，蒸发顶部的第二个导电电极，并在其中通电。

他们的方法包括在设备上运行电流，将数百万个电子发送到设备上。如果成功，电子将通过一系列不同的能级，类似于从一系列瀑布中坠落。每次电子下降一个能级，它就有机会以光的形式发射能量。它的工作得益于量子力学。

Guyot Sionnest解释道：“在级联LED中，我们处理量子点的两种状态：最低基态，其类似于氢原子的s态；以及第一激发态，其类似于p态。”当电子从p态弛豫到s态时，会发出中红外光。点之间的偏置使电子能够从这个s态隧穿到下一个点的p态，以此类推。”

令该团队惊讶的是，在他们第一次尝试通过胶体量子点产生红外光时，他们就看到了光。Guyot Sionnest说：“我们产生红外光的新方法的首次尝试就非常有效，一旦量子点内产生光的效率提高，其性能将提高几个数量级。然后，这些光源将能实现前所未有的效率和低成本。”

图2：红外光设备的原型。（图片来源：芝加哥大学）

Guyot Sionnest解释说，“从一个量子点的s态到下一个量子点p态的首选隧穿远不明显，因为也有可能简单地从一个点的s态到下一点的s态。我们最初认为，这种偏好需要在微调的偏压下进行共振，但在某种尚不清楚的方式下，电子排列成级联而不是向下流动，因此偏压并不重要。”

这项工作没有涉及重大挑战，因为这是该团队先前在实验室内制造荧光红外量子点的应用，他们已经有了制造第一个带有量子点的中红外LED、并测量其输出光的经验。

“但这确实需要在化学和物理界面上不同寻常的技能组合。”Guyot Sionnest说，“这要归功于Xinygyu Shen和Ananth Kamath。很少有团队能够将制造量子点的化学技能、制造器件的制造工具和表征特性的中红外仪器结合起来。”

光学气体传感器和激光器

通过量子点产生的红外光最明显和最可能的应用是光学气体传感器。Guyot Sionnest表示：“快速高效的量子点LED的大规模生产，以及类似的快速高效量子点探测器，将使光学气体传感比目前的半导体技术便宜得多。它还将提供比基于热源和热电探测器的低成本技术更好的灵敏度。”

激光器是这项工作的一个可能的扩展，但目前并不能确定其是否能够实现。除此之外，商业应用可能需要使用不含汞、镉和铅等有毒和受管制元素的量子点。

Guyot Sionnest的研究生Xingyu Shen说：“一种成本效益高、易于使用的用量子点制造红外光的方法，可能非常有用。”