(PhysOrg.com) -- Progressi significativi nell'applicazione di strutture colloidali come emettitori di luce e laser potrebbero presto essere realizzati in seguito alla scoperta di tassi di emissione di fluorescenza molto veloci nelle nanopiastrine colloidali. Queste nanopiastrine combinano le migliori caratteristiche di due domini:l'ampia sintonizzabilità dell'assorbimento e della fotoluminescenza dei nanocristalli e il breve tempo di decadimento degli eccitoni nei pozzi quantistici. Questa scoperta, annunciato dagli scienziati del Naval Research Laboratory e del Laboratoire de Physique et d'Etude des Matéiaux, UMR8213 del CNRS, ESPC, suggerisce che le nanopiastrine sono un importante, nuovo materiale per la costruzione di diodi emettitori di luce sintonizzabili, laser a bassa soglia, e celle solari fotovoltaiche. I risultati completi dello studio sono pubblicati on line il 23 ottobre, 2011, numero della rivista Materiali della natura .

Le nanopiastrine sono una nuova classe di materiali ottici che sono essenzialmente atomicamente piatti, CdSe colloidale quasi bidimensionale, CDS, e strati di CdTe con spessori ben definiti che vanno da 4 a 11 monostrati. Queste nanopiastrine hanno proprietà elettroniche di pozzi quantistici bidimensionali formati da epitassia a fascio molecolare, e i loro spettri di assorbimento ed emissione dipendenti dallo spessore sono completamente controllati dallo spessore dello strato. L'altissimo confinamento spaziale dei portatori in queste strutture colloidali, praticamente inaccessibile nei pozzi quantistici epitassiali, combinato con opportunità di creare molto sottile, gli strati piatti (fino a 1,5 nm) dei semiconduttori rendono il band gap di questo materiale sintonizzabile su un intervallo di 1,4 eV. Il bordo della banda di assorbimento ampiamente sintonizzabile, che è controllato principalmente dallo spessore delle nanopiastrine, risultati in spettri di emissione ampiamente sintonizzabili.

Il forte miglioramento dell'interazione di Coulomb elettrone-lacuna a causa della piccola costante dielettrica del mezzo circostante è un'altra proprietà delle nanopiastrine colloidali che non esiste né nei nanocristalli colloidali sferici né nei pozzi quantici epitassiali. Questo fenomeno riduce significativamente il raggio degli eccitoni e accorcia il loro tempo di decadimento radiativo. Inoltre, la forma delle nanopiastrine influenza la forza dell'accoppiamento degli eccitoni con i fotoni emessi perché la componente tangenziale del campo elettrico del fotone non cambia il suo valore quando penetra attraverso la superficie delle nanopiastrine piatte. Questo riduce anche il tempo di decadimento fluorescente in queste strutture.

Finalmente, gli stati degli eccitoni di terra nelle nanopiastrine quasi bidimensionali possono avere una transizione di forza dell'oscillatore gigante connessa con il centro dell'eccitone del movimento coerente di massa. La transizione della forza dell'oscillatore gigante è un fenomeno quantomeccanico che può essere descritto come eccitazione coerente del volume, che è significativamente più grande del volume dell'eccitone. Il fenomeno era stato previsto 50 anni fa da Rashba. La transizione della forza dell'oscillatore gigante dello stato di terra dell'eccitone migliora la sezione trasversale di assorbimento e riduce significativamente il tempo di decadimento radiativo dell'eccitone. Nel caso di strutture bidimensionali, l'aumento è proporzionale al rapporto tra l'area del moto coerente dell'eccitone e il quadrato del raggio di Bohr dell'eccitone.

I gruppi di ricerca del Laboratoire de Physique et d'Etude des Matéiaux e dell'NRL hanno scoperto che a temperatura ambiente, la durata della fluorescenza delle nanopiastrine di CdSe è più breve di quella dei nanocristalli di CdSe con resa quantica e lunghezza d'onda di emissione simili. È importante sottolineare che la durata della fluorescenza delle nanopiastrine diminuisce con la temperatura, mentre la loro intensità di emissione aumenta. Una tale dipendenza dalla temperatura della durata della fluorescenza è una firma unica della transizione della forza dell'oscillatore gigante, che in precedenza si osservava solo in pozzi quantistici a temperature dell'elio. A 6K il tempo di decadimento radiativo diventa più breve di 1 ns, che è due ordini di grandezza in meno rispetto ai nanocristalli sferici di CdSe. Questo rende le nanopiastrine gli emettitori fluorescenti colloidali più veloci conosciuti e suggerisce fortemente che mostrino una gigantesca transizione della forza dell'oscillatore.

Gli sforzi futuri saranno focalizzati sull'ottimizzazione di queste strutture nanopiastriniche con l'obiettivo di eliminare i processi non radiativi connessi con la superficie. La crescita delle nanopiastrine core-shell estenderebbe ulteriormente le proprietà e le applicazioni dei materiali presentati qui e aprirebbe la strada alla sintesi di colloidale, strutture a pozzetti quantistici multipli. Tali strutture dovrebbero consentire ai ricercatori di sfruttare appieno l'accorciamento osservato del tempo di decadimento radiativo e della sintonizzabilità, e indicare la strada per future scoperte nella fotonica, laser, e altre applicazioni ottiche delle nanopiastrine.