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MIT團隊研究消除量子點閃爍現象

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科技產業資訊室 (iKnow) - Lisa & 松勳 發表於 2021年12月8日
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圖、MIT團隊研究消除量子點閃爍現象
 
量子點(Quantum Dot)發現於1990年代,且廣泛應用,尤以在高級電視中產生鮮豔的色彩最為人所知。但是,有些技術應用領域,像是藥物追縱與活細胞生化相互作用的過程等要求精確及避免干擾,當量子點出現無預期的閃爍,反而成為一個顯著的缺點。
 
關於量子點出現無預期閃爍的問題,美國麻省理工學院(MIT)研究團隊提出了控制這種不必要閃爍的方法,且不需要對化學配方或製造過程進行任何修改。透過發射中紅外雷射光(mid-infrared laser light),在極短的時間內(幾萬億分之一秒)消除量子點長周期的閃爍。
 
研究成果於2021年11月22日發表在《Nature Nanotechnology》期刊,作者是麻省理工學院的博士生Jiaojian Shi,、Weiwei Sun和Hendrik Utzat、化學教授Keith Nelson和Moungi Bawendi以及其他五人。
 
量子點由半導體材料製成,顆粒只有幾奈米寬,具有電子間能量級的能隙(band gap),當被光照射後,電子可以跳到更高的能階,當恢復到原來低能階狀態後,能量會以光子的形式釋放出來。發光的頻率決定了量子點的顏色,可透過選擇點的形狀和尺寸來精確調整。除了顯示面板,量子點還可被運用於太陽能電池、電晶體、雷射和量子資訊設備。
 
閃爍現象在量子點首次被製造出來後不久,就被科學家發現。MIT教授Moungi Bawendi指出,很多人都曾試圖透過設計量子點和環境之間的介面,或添加其它分子來消除這個現象,但都無法發揮實際效果,且很難被重製。
 
某些量子資訊應用希望有一個完美的單光子發射源,但目前技術的量子點會隨機開關,實際上不利於任何利用量子點光致發光(photoluminescence)的應用。MIT團隊的研究,利用中紅外脈衝使量子點可以保持在「開啟」的狀態,有利於需要非間歇性明亮的單光子源應用。
 
像是,對於生物醫學研究應用來說,消除閃爍是至關重要的。研究團隊表示,有許多生物過程確實需要用穩定的光致發光標籤進行視覺化。例如,當人們服用藥物時,研究人員想要知道那些藥物分子是如何在細胞中內化的,以及它在亞細胞器(subcellular organelles)中的最終位置。這可能會幫助更有效藥物的發現過程,但如果量子點開始大量閃爍,基本上就會失去對分子位置的追蹤。
 
MIT教授解釋,造成閃爍現象的原因可能與額外的電荷有關,例如額外的電子,附著在量子點的外部,改變表面特性,從而經由其他的途徑來釋放額外的能量,而不是透過發光。其實,在現實環境中可能會發生各種事情,例如,也許量子點在表面黏上了一個電子,不再是電中性,雖然它仍然可以透過發射一個光子回到基態,不幸的是,額外的電荷也為電子的激發態打開了各種額外的途徑,使其在不發射光子的情況下回到基態,例如透過散發熱量。但當被一陣中紅外光照射時,額外的電荷往往會被擊落,使量子點產生穩定的發射並停止閃爍。
 
MIT的研究技術解方案甚至可以處理其他設備中的異常間歇性,例如可用於超高解析度顯微鏡和作為光量子技術中單光子來源的鑽石內的氮原子空缺中心(Nitrogen-Vacancy Center)。儘管目前的研究只針對量子點進行試驗,但研究團隊相信可以將類似的方法用於其它發射器,利用這種中紅外光的基本效果適用於各種不同的材料。
 
這種效果也可能不限於中紅外脈衝,目前這種脈衝依賴於笨重和昂貴的實驗室雷射設備,尚未能商業應用。同樣的原理也可以延伸到太赫茲(terahertz)頻率,實驗室持續在研究與開發相關領域,原則上可以製造出更小且更便宜的設備。(1152字;圖1)
 
 
參考資料:
Getting quantum dots to stop blinking. MIT Chemistry, 2021/11/22.


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