コロイドナノ結晶における蛍光の断続性

点滅するコロイドナノ結晶は、単一のコロイドナノ結晶の研究中に観察される現象であり、連続的な光照射下でもランダムに発光のオン/オフを切り替えることを示しています。 ^[1]これは発光間欠性 とも呼ばれています。 ^[1] 同様の動作は、他の材料で作られた結晶でも観察されています。たとえば、多孔質シリコンもこの現象を示します。^[1]

コロイドナノ結晶は、本質的に「人工原子」とみなすことができる新しい形態の物質を構成する新しい種類の光学材料です。原子と同様に、コロイドナノ結晶は、広範囲の波長にわたって調整可能な個別の光エネルギースペクトルを持っています。望ましい動作と透過率は、コロイドナノ結晶のサイズに直接相関しています。放出される波長を変更するには、結晶を大きくしたり小さくしたりします。この方法により、コロイドナノ結晶の電子的および光学的特性を制御できます。たとえば、ある可視波長から別の可視波長に放出を変更するには、成長させた結晶を大きくしたり小さくしたりします。ただし、このプロセスは、ガリウムヒ素などの従来の半導体では効果的ではありません。^[2]

ナノ結晶のサイズは、広範囲に調整可能な吸収帯を制御し、広範囲に調整可能な発光スペクトルをもたらします。この調整可能性は、ナノ結晶の光学安定性とナノ結晶の成長における優れた化学的柔軟性と相まって、今日広く使用されているナノ結晶アプリケーションにつながっています。実用的なデバイスアプリケーションは、低閾値レーザーから太陽電池、生物学的イメージングおよび追跡まで多岐にわたります。 ^{[3] [4]}

単一コロイドナノ結晶の研究では、連続的な光照射下でもランダムに発光がオンとオフになることが示されています。これは、単一コロイドナノ結晶を研究し、その蛍光特性を生物学的イメージングやレーザー照射に利用しようとするエンジニアや科学者の進歩を妨げる傾向があります。^[3]

ナノ結晶の明滅は 1996 年に初めて報告されました。この発見は予想外のものでした。明滅は、照射されたナノ結晶が帯電 (またはイオン化) し、その後中和されるために起こるというのがコンセンサスです。ナノ結晶が中性である通常の条件下では、光子が電子正孔対を励起し、それが再結合して別の光子を放出し、光発光を引き起こします。このプロセスは放射再結合と呼ばれます。ただし、ナノ結晶が帯電している場合、余分なキャリアが非放射オージェ再結合と呼ばれるプロセスを引き起こし、励起子エネルギーが余分な電子または正孔に移動します。オージェ再結合は放射再結合よりも桁違いに速く発生します。そのため、帯電したナノ結晶では光発光はほぼ完全に抑制されます。科学者はまだ、充電および中和プロセスの原因を完全には理解していません。光励起キャリア (電子または正孔) の 1 つがナノ結晶から放出される必要があります。しばらくすると、放出された電荷はナノ結晶に戻ります（電荷の中性状態が回復し、放射再結合が起こります）。これらのプロセスがどのように起こるのか、詳細はまだわかっていません。^[3]

研究者たちは、ナノ結晶の点滅の問題を解消しようと試みています。一般的な解決策の 1 つは、ナノ結晶のイオン化を抑制することです。これは、たとえば、ナノ結晶のコアの周りに非常に厚い半導体シェルを成長させることで実現できます。ただし、点滅の原因となる基本的なプロセス (非放射オージェ再結合) がまだ存在していたため、点滅は軽減されましたが、解消されませんでした。^{[3] [5]}

研究方法の1つは、単結晶または単一の量子ドットを研究することで、点滅動作の特徴を明らかにしようとするものである。強力な顕微鏡とビデオ機器が使用される。別の方法では、量子ドットの集合体または大量の量子ドットを使用して統計情報を作成する。^{[6] [7]}

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• 米国特許 8,197,720