Mở đường tắt giải phóng electron

Một loại máy dò quang mới cực nhanh và hiệu quả cao chứa những tiếp giáp chấm lượng tử vừa được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại trường đại học Delft ở Hà Lan. Dụng cụ không sử dụng kiến trúc màng mỏng bình thường hiện đang sử dụng trong những máy dò quang như thế và có thể có mặt trong nhiều ứng dụng đa dạng, ví dụ như ghi ảnh sinh học và có lẽ cả tế bào quang điện nữa.

Chấm lượng tử là những chất liệu hứa hẹn cho việc chế tạo máy dò quang vì chúng hấp thụ mạnh ánh sáng. Những màng mỏng chấm lượng tử có thể sản xuất dễ dàng từ dung dịch – một lợi thế không thể bỏ qua trong chế tạo những dụng cụ chi phí thấp. Trong máy dò quang chấm lượng tử bình thường, ánh sáng bị hấp thụ trong những màng mỏng như thế để tạo ra những điện tích tự do sau đó phải đi tới các điện cực trong dụng cụ để mang lại một tín hiệu.

Vấn đề là màng mỏng gồm những hạt kích cỡ nanomet là một cấu trúc rất hỗ lốn chứa vô số thành rào và khuyết tật. Những thành rào này làm chậm các hạt mang điện trong dụng cụ, nên làm giảm thời gian phản ứng của máy dò. Các điện tích cũng có thể bị bắt giữ tại thành rào, làm giảm đáng kể hiệu suất của dụng cụ.

Nghiên cứu sinh Michele Buscema chuyên nghiên cứu các tính chất quang điện tử của các chấm lượng tử. (Ảnh: F Prins)

Các chấm được bố trí cẩn thận

Một đội đứng đầu là Herre van der Zant nay vừa đi tới một câu trả lời cho bài toán này – bằng cách giải thoát cấu trúc kiểu màng mỏng. Thay vậy, các nhà nghiên cứu đặt mỗi chấm lượng tử trong dụng cụ tiếp xúc trực tiếp với cực nguồn và cực máng để cho các điện tích được trích xuất trực tiếp và nhanh chóng.

Thách thức chủ yếu trong công trình này, theo lời thành viên đội Ferry Prins, là chế tạo những điện cực phẳng cách nhau chỉ vài nanomet – một khoảng cách đủ nhỏ cho từng chấm lượng tử xen vào. Các nhà nghiên cứu đã thu được sắp xếp này bằng cách sử dụng một kĩ thuật gọi là tự sắp hàng.

“Thủ thuật là sử dụng một lớp oxide tự nhiên dày vài nanomet để ‘bảo vệ’ điện cực thứ nhất,” ông nói. “Tiếp theo, chúng tôi cho lắng điện cực thứ hai trực tiếp trên điện cực thứ nhất và loại có chọn lọc lớp oxide đó bằng một chất ăn mòn, làm lộ ra khe trống cỡ nanomet giữa hai điện cực.” Bước cuối cùng là dìm dụng cụ vào một dung dịch chấm lượng tử sau đó xử lí hóa học nhanh để đảm bảo sự tiếp xúc tốt giữa các chấm nano và điện cực. Việc đặt các chấm tiếp xúc trực tiếp với các điện cực làm tăng tốc đáng kể sự trích xuất điện tích trong dụng cụ.

Tín hiệu tốt

Bất chấp kích cỡ nhỏ của nó, máy dò quang trên vẫn có thể tạo ra những tín hiệu rất tốt. Điều này có nghĩa là nó có thể được tích hợp vào trong các dụng cụ có mật độ cao hơn nhiều so với các máy dò kiểu màng mỏng. “Một ứng dụng có tiềm năng cho dụng cụ trên là những CCD mật độ cực cao,” Prins nói, “và thời gian phản ứng cực nhanh của máy dò cũng sẽ cho phép thời gian thu tín hiệu nhanh hơn, cái có thể quan trọng cho các ứng dụng ghi ảnh sinh học.”

Ngoài dò ánh sáng, các dụng cụ chấm lượng tử cũng đang thể hiện những kết quả triển vọng như tế bào quang điện. Đây là bởi vì các photon năng lượng cao đi tới một chất liệu quang điện có thể tạo ra những electron kích thích hoặc lỗ trống có năng lượng ít nhất bằng hoặc lớn hơn độ rộng khe năng lượng của chấm lượng tử. Những electron có năng lượng quá hai lần độ rộng khe có thể truyền phần năng lượng vượt mức của chúng cho một hoặc nhiều electron hóa trị và kích thích chúng nhảy qua khe năng lượng của chấm lượng tử, dẫn tới một vài exciton (những cặp electron-lỗ trống) được tạo ra với mỗi photon bị hấp thụ. Quá trình này có thể giúp tăng đáng kể hiệu quả biến đổi năng lượng của tế bào quang điện.

Tham khảo: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl303008y

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com