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En los últimos años, la conversión de fotones infrarrojos de baja energía en fotones de luz visible de alta energía a través de convertidores ascendentes de infrarrojo a visible ha atraído mucho interés científico. Sin embargo, los convertidores ascendentes convencionales tienen longitudes de onda de detección limitadas, energía infrarroja de línea de base alta y poca eficiencia de fotón a fotón.
Estudio: Convertidores ascendentes de puntos cuánticos coloidales de alta sensibilidad para infrarrojos de onda corta mejorados. Crédito: Alexey Godzenko/Shutterstock.com
Un estudio reciente publicado en la revista ACS Applied Materials & Interfaces aborda este problema mediante el desarrollo de un convertidor ascendente de puntos cuánticos coloidales con capacidades mejoradas de conversión de infrarrojos de longitud de onda cercana.
¿Qué es la conversión ascendente de infrarrojos a visibles?
La conversión ascendente de fotones convierte dos o más fotones de menor energía en un fotón de mayor energía. La conversión ascendente efectiva de fotones infrarrojos a fotones visibles podría tener una variedad de aplicaciones, tales como: B. Estimulación subbanda prohibida de dispositivos de detección fotovoltaica e infrarroja, imágenes biomédicas de tejido profundo, neuroimagen y proyecciones tridimensionales.
Varias de estas aplicaciones se beneficiarían de una conversión ascendente efectiva a intensidades de estimulación óptica bajas con una respuesta sintonizable en un amplio espectro de exposición y emisión.
Un convertidor ascendente evita la necesidad de pasos de procesamiento complejos como la pixelación, el desarrollo de protuberancias de indio y el flip-bonding, lo que ofrece una ruta posible para obtener imágenes infrarrojas de alta resolución y bajo costo.
Los primeros estudios de conversión ascendente se basan en técnicas en las que dos fotones producen un solo fotón de alta energía a través de la aniquilación triplete-triplete, la absorción de dos fotones y la transformación de fotones de tierras raras.
De acuerdo con estos hallazgos, los compuestos orgánicos pequeños que se someten a la absorción de dos fotones o la aniquilación triplete-triplete podrían producir resultados prometedores en aplicaciones de conversión ascendente con intensidades de excitación moderadas.
Desafíos asociados con la conversión ascendente de infrarrojo a visible
Estos procesos se limitan a la conversión ascendente de fotones visibles a visibles, mientras que la conversión ascendente de fotones infrarrojos a visibles todavía se limita a ondas incidentes de longitud de onda más corta.
Muchos convertidores ascendentes de infrarrojo a visible se construyen con sustancias emisoras de infrarrojos inorgánicas u orgánicas, lo que genera varios desafíos, incluidas las preocupaciones sobre la incompatibilidad de la red, las técnicas de fabricación costosas y la absorción óptica deficiente. En consecuencia, el primer obstáculo es la selección de sustancias con bandas prohibidas sintonizables en un amplio rango de longitudes de onda. Los nanomateriales como los puntos cuánticos coloidales pueden ser muy útiles en este sentido.
Los dispositivos de conversión ascendente, que consisten en fotodetectores infrarrojos (PD) y diodos emisores de luz (LED) visibles, pueden ayudar a evitar las limitaciones del rango espectral al convertir fotones infrarrojos de longitud de onda más larga.
Además, los convertidores ascendentes de infrarrojo a visible actuales solo funcionan a alta potencia bajo una fuerte radiación infrarroja, generalmente por debajo de la densidad de potencia infrarroja, y la mayoría de ellos tienen una eficiencia de fotón a fotón de alrededor del 1%. En el campo de la conversión ascendente de infrarrojo a visible, proporcionar un enfoque adecuado para aumentar el rendimiento de los dispositivos de conversión ascendente sigue siendo un problema importante.
Puntos cuánticos coloidales para aplicaciones de conversión ascendente
Los puntos cuánticos coloidales son cristales semiconductores a nanoescala cuya propagación en líquidos está habilitada por ligandos superficiales. Estos puntos cuánticos coloidales podrían integrarse en la electrónica utilizando técnicas de ensamblaje basadas en soluciones.
Los puntos cuánticos coloidales (CQD) parecen ser un reemplazo viable para las sustancias orgánicas/inorgánicas tradicionales en aplicaciones de conversión ascendente. Los puntos cuánticos coloidales con espacios de banda ajustables en tamaño se han utilizado ampliamente en los sectores de fotodetección y emisión de luz, los dos principales mecanismos de transición fotónica de los convertidores ascendentes de infrarrojo a visible.
Debido a sus pequeños anchos de banda espectrales y su buen rendimiento cuántico de luminiscencia, los puntos cuánticos coloidales también se pueden utilizar como sustancias emisoras visibles y detectoras de infrarrojos.
Además, la variabilidad de voltaje y luminancia de los LED basados en puntos cuánticos coloidales no es lineal. Lograr que los puntos cuánticos coloidales operen en un espectro de polarización apropiado, donde la variación de luminancia con el voltaje es más alta, es crucial para el desarrollo de convertidores elevadores de alto rendimiento.
Aspectos destacados y desarrollos clave del estudio actual
En este trabajo, se utilizaron puntos cuánticos de telururo de mercurio coloidal como sustancias de detección de infrarrojos para la conversión ascendente de infrarrojos de onda corta mejorados (SWIR). Los componentes de la superficie de impedancia del fotodetector basado en telururo de mercurio se han ajustado para que coincidan de manera ideal con los niveles de voltaje de trabajo de los LED de punto cuántico coloidal para lograr una excelente eficiencia de conversión ascendente.
El convertidor ascendente de puntos cuánticos coloidales fotoactivos produjo un alto grado de cambio de luminancia, lo que resultó en una potencia infrarroja mínima medible baja. Además, el convertidor ascendente de puntos cuánticos coloidales así preparado mostró una alta sensibilidad con un límite de detección extremadamente bajo y una eficiencia de fotón a fotón (pp) de casi el 30%.
Esta eficiencia de pp de infrarrojo a visible es el factor clave para evaluar la efectividad de los sistemas de conversión ascendente basados en puntos cuánticos coloidales. La eficiencia de conversión ascendente p-p está determinada por la cantidad de fotones de luz visible liberados por el convertidor ascendente de punto cuántico coloidal en presencia de luz infrarroja.
En base a estos resultados, es razonable concluir que los puntos cuánticos coloidales que reemplazan las sustancias orgánicas/inorgánicas tradicionales y el método de combinación óptima de PD y LED ofrecen una solución viable a los problemas de larga data en los sistemas de conversión ascendente.
Referencia
Mu, G. et al. (2022). Convertidores ascendentes de puntos cuánticos coloidales de alta sensibilidad para infrarrojos de onda corta mejorados. Interfaces y materiales aplicados de ACS. Disponible en: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c12002
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