قام الفيزيائيون بضبط ضوء نقاط الكربون باستخدام أسلاك نانوية

نقاط الكربون هي جسيمات نانوية متوهجة صغيرة الحجم، وعادة ما يكون حجمها أقل من 10 نانومتر. يمكنك اعتبارها مصابيح فلورسنت عديمة الوزن تقريبًا: فهي تمتص الضوء بطول موجي معين وتعيد بثه عند طول موجي آخر. على عكس العديد من النقاط الكمومية الكلاسيكية، لا تحتوي نقاط الكربون على معادن ثقيلة، وهي مقاومة نسبيًا للتحلل الضوئي، ويمكن إنتاجها بطرق كيميائية قابلة للتطوير. لكن مصادر الضوء المصغرة هذه لها نقطة ضعف. عند تجفيفها ونقلها إلى سطح صلب، فإنها تقترب من بعضها البعض وتتجمع وتطفئ بريقها. صورة نقطة الكربون / © Konstantinos Polyezos لذلك، اقترح المؤلفون اعتبار الركيزة نفسها مشاركًا نشطًا في العملية البصرية. وقد لعبت هذا الدور مصفوفات من الأسلاك النانوية المصنوعة من نيتريد الغاليوم وفوسفيد الغاليوم والسيليكون، والتي تمت زراعتها أو تشكيلها على ركائز السيليكون. تم نشر العمل في الضوء: التصنيع المتقدم. وقد تم دعم الدراسة من قبل مؤسسة العلوم الروسية، بمنحة رقم 25-72-00140. السلك النانوي عبارة عن عمود بلوري ممدود بقطر نانومتر وطول ميكرومتر. يمكنه توجيه الضوء أو احتوائه أو نشره أو امتصاصه اعتمادًا على مادته وطوله وقطره وخصائصه الإلكترونية. تم استخدام ثلاثة أنواع من الأسلاك النانوية في العمل. تحتوي أسلاك GaN النانوية، التي يبلغ طولها حوالي 2 ميكرومتر، على فجوة نطاق واسعة تبلغ حوالي 3.4 إلكترون فولت، وكانت شفافة في النطاق المرئي. تجمع أسلاك GaP النانوية، التي يبلغ طولها حوالي 25 ميكرومترًا، بين فجوة نطاق واسعة غير مباشرة وخصائص جيدة للدليل الموجي. وكانت أسلاك السيليكون النانوية، التي يبلغ طولها حوالي 10 ميكرومتر، ذات أهمية خاصة من وجهة نظر تكنولوجية لأن السيليكون هو أساس الإلكترونيات الدقيقة الحديثة، لكنه يمتص جزءًا كبيرًا من الضوء المرئي ويعتبر في حد ذاته باعثًا ضعيفًا. مخطط الهيكل الهجين: مصفوفات من أسلاك GaN و GaP و Si المزينة بنقاط الكربون (CDs) / © SPbPU Press Service / St. الفيزياء والرياضيات لتجميع نقاط الكربون، استخدم الباحثون طريقة حرارية مائية من حامض الستريك والإيثيلينديامين. وفي الماء، توهجت باللون الأزرق الساطع عند إثارة الضوء القريب من الأشعة فوق البنفسجية، وعند الانتقال إلى إثارة ذات طول موجي أطول، أصبح انبعاثها أضعف وتحول إلى اللون الأخضر، ثم إلى المنطقة البرتقالية. بعد ذلك، تم ترسيب محلول نقطة الكربون على صفائف الأسلاك النانوية باستخدام طريقة الترسيب بالتسقط. أظهر الفحص المجهري الإلكتروني طبقة كربونية غير متبلورة رفيعة يبلغ سمكها حوالي 5 نانومتر على سطح الأنواع الثلاثة من الأسلاك النانوية. علق فاليري كوندراتييف، كبير الباحثين في مختبر المواد الوظيفية في MIPT، على العمل قائلاً: “أردنا أن نجعل سلوك نقاط الكربون في الطور الصلب أكثر قابلية للتنبؤ به. وتبين أن السلك النانوي لا يحمل الطبقة المضيئة فحسب، بل يختار في الواقع الأطوال الموجية التي يمكن أن تثير التلألؤ بشكل فعال. وهذا يحول مادة الركيزة إلى أداة لضبط الطيف.” لفهم كيفية عمل هذا التعديل بالضبط، جمع الباحثون بين المحاكاة العددية والتحليل الطيفي للتألق الضوئي. إن حل معادلات ماكسويل لمثل هذه الأنظمة المعتمدة على الأسلاك النانوية ونقاط الكربون سمح لنا باستنتاج أن الأسلاك النانوية لا يمكن وصفها بأنها أسطح بسيطة. إنها تتصرف مثل الأجسام البصرية المعقدة، حيث تعمل تأثيرات امتصاص الضوء وتشتت Mie ودليل الموجات والتأثيرات الضوئية الرنانة في وقت واحد. ببساطة، يتفاعل الضوء في مثل هذه البنية بشكل متكرر مع هندسة الأسلاك النانوية ومادتها، مما يجعل من الممكن التحكم في خصائصها. خرائط التلألؤ الضوئي لهياكل GaN NWs + CDs و GaP NWs + CDs الهجينة. يوضح الخط الأفقي الطول الموجي للانبعاث، والخط العمودي يوضح الطول الموجي للإثارة؛ يعكس اللون شدة الإشارة. توضح مقارنة الخرائط أن مادة الأسلاك النانوية تعمل كمرشح طيفي وتحدد الظروف التي يمكن أن تتوهج فيها نقاط الكربون بشكل فعال. في هذه الحالة، فإن أشباه الموصلات نفسها هي التي تتوهج أو تضعف الإشارة بشكل حاد. إذا كانت مادة الأسلاك النانوية شفافة تقريبًا للضوء المحدد، فإن نقاط الكربون تتلقى الطاقة وتبدأ في التوهج. لذلك، فإن لون وسطوع التوهج لا يعتمد فقط على النقاط نفسها، ولكن أيضًا على الركيزة التي توجد عليها. تنبعث نقاط الكربون في البداية ضوءًا أزرقًا في محلول مائي. على أسلاك GaN النانوية، رأى العلماء أن التوهج الأزرق الساطع المتوقع لنقاط الكربون يختفي تقريبًا تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية. يمتص نيتريد الغاليوم هذا الإشعاع ويبدأ في إصدار نفسه: تظهر إشارة مميزة عند حوالي 580 نانومتر، مرتبطة بحالات معيبة في المادة. عندما يصبح الضوء المثير أقل نشاطًا (طول موجي أطول) ولم يعد يمتصه GaN بقوة، يتحول وهج نقاط الكربون تدريجيًا: من منطقة صفراء مخضرة إلى منطقة أكثر برتقالية. أما بالنسبة لأسلاك GaP النانوية فإن الوضع مختلف. لا ينقل فوسفيد الغاليوم إثارة الموجات القصيرة بشكل جيد، لذلك نادرًا ما تتوهج نقاط الكربون تحت مثل هذه الإضاءة. ولكن مع إثارة الطول الموجي الأطول، تظهر إشارة ملحوظة في المنطقة الحمراء البرتقالية. وفي نطاق الكشف الذي اختاره الباحثون، كانت هياكل GaP ذات نقاط الكربون هي التي أعطت أقوى إشارة. أعطت أسلاك السيليكون النانوية الاستجابة الأضعف. يعد السيليكون، بالطبع، أساس الضوئيات الحديثة والإلكترونيات الدقيقة، ولكن في النطاق المرئي يمتص الضوء بشكل ملحوظ وبالتالي يثبط تألق نقاط الكربون. ولذلك، فإن الخريطة الطيفية لبنية Si/CDs لا تظهر سوى إشارة ضوئية ضعيفة لنقاط الكربون في المنطقة الحمراء، والتي تعتبر أيضًا نتيجة غير تافهة. وأضاف أليكسي بولشاكوف، مدير مركز MIPT للضوئيات والمواد ثنائية الأبعاد: “لقد صنعنا منصة هجينة لا يتم فيها ترسيب نقاط الكربون على السطح فحسب، بل تعمل جنبًا إلى جنب مع أسلاك أشباه الموصلات النانوية. والنتيجة الرئيسية لدينا هي أن السلك النانوي نفسه يضبط التوهج: حيث تحدد مادته الضوء الذي سيصل إلى نقاط الكربون وما هو الطيف الذي سيتم الحصول عليه عند الإخراج. وهذا يوفر مبدأ هندسيًا واضحًا لإنشاء مصادر ضوء مدمجة على الرقائق الضوئية.” تكمن التطبيقات العملية لمبدأ التحكم في الضوء الجديد في مجال الضوئيات المتكاملة والاستشعار والطلاء البصري النشط. تتطلب الرقاقة مصادر ضوئية ومرشحات ومحولات مدمجة يمكن تصنيعها بشكل قابل للتطوير ودمجها مع تكنولوجيا السيليكون. توفر هياكل الأسلاك النانوية الهجينة طريقًا لمثل هذه المكونات: يمكن للمرء اختيار مادة الأسلاك النانوية، وهندستها، ونافذتها الطيفية، ثم دمج نقاط الكربون مع الكيمياء المناسبة على السطح. يمكن للبحث المستقبلي أن يأخذ هذا النهج في عدة اتجاهات. سيتعين على العلماء تحسين كثافة وانتظام الطلاء، وتقليل الالتصاق الشعري للأسلاك النانوية الطويلة عندما يجف المحلول، واختيار مواد مضيفة أخرى، واختبار كيفية تأثير هندسة المصفوفة على اتجاه الإشعاع وكفاءته. ومن الأمور الواعدة بشكل خاص الجمع بين نقاط الكربون مع مرنانات الأسلاك النانوية وأدلة الموجات.