Учёные НИЯУ МИФИ при исследовании плазмон-экситонного взаимодействия в тонкопленочных гибридных материалах обнаружили эффект многократного усиления фотолюминесценции квантовых точек при синергии эффектов Парселла и плазмонного усиления возбуждения. Результаты исследования опубликованы в престижном международном журнале Journal of Physical Chemistry Letters.
Фотолюминесцентные квантовые точки широко используются при создании светодиодов, дисплеев и как базис для квантовых излучателей в области квантовой информатики. Ранее известные способы дополнительного усиления их яркости — эффект Парселла и эффект плазмонно-индуцированного усиления поглощения — имеют существенные ограничения при применении на практике. Так, плазмонно-индуцированный эффект усиления поглощения связан с локальным усилением электромагнитного поля вблизи поверхности плазмонных нано-объектов, приводящим к большей вероятности поглощательных переходов в близко расположенных квантовых точках, в сравнении с ситуацией, когда плазмоны отсутствуют или не возбуждаются. Таким образом, в единицу времени происходит большее число актов возбуждения квантовых точек.
Этот эффект сопровождается сильным падением квантового выхода (эффективности преобразования квантов возбуждения в излучаемые фотоны) в связи с плазмонно-индуцированным переносом энергии, что не дает повысить яркость квантовых точек за счет увеличения поглощения. Эффект Парселла заключается в ускорении процесса излучательной релаксации в квантовых точках внутри микро- нанорезонаторов (в том числе плазмонных), что приводит к росту вероятности излучения и соответствующему росту квантового выхода фотолюминесенции. Однако величина квантового выхода не может превысить значения равного 100%, что не позволяет использовать данный эффект для увеличения яркости квантовых точек с изначально высоким квантовым выходом.
Для преодоления этих ограничений авторы работы создали тонкопленочный гибридный материал, состоящий из слоя квантовых точек в полимерной матрице, покрытого слоем плазмонных наночастиц серебра. Подбор формы и типа плазмонных наночастиц позволил создать условия для одновременной реализации эффектов Парселла и плазмонно-индуцированного усиления поглощения. Оказалось, что при одновременной реализации этих эффектов происходит усиление поглощения, но не происходит падения квантового выхода. Более того, синергия этих эффектов привела к росту яркости как квантовых точек с изначально высоким квантовым выходом (ярких, излучающих квантовых точек), так и изначально неизлучающих квантовых точек. Полученные в работе результаты значительно повышают привлекательность использования квантовых точек для технологии Q-LED, дисплеев на основе квантовых точек, а также для области оптической квантовой информатики.
Авторы опубликовали свои результаты в виде краткого сообщения в журнале Journal of Physical Chemistry Letters, публикующем только принципиально новые и значительные научные достижения, дающие новое понимание физики процессов.