Квантовые точки из PbSe (селенида свинца) или PbS (сульфида свинца) могут преобразовывать коротковолновый инфракрасный свет в электрический ток. Это полезное свойство для изготовления детекторов или коммутатора для телекоммуникаций. "Однако одна точка не создает устройства. И когда точки объединяются, сборка часто теряет уникальные оптические свойства отдельных точек, или, если они их сохраняют, их способность переносить носители заряда становится очень низкой", - объясняет Лой. "Это потому, что трудно создать упорядоченный материал из точек".

Упорядоченный слой

Работая с коллегами из Института перспективных материалов Цернике на факультете науки и техники Университета Гронингена, Лой экспериментировал с методом, который позволяет получать метаматериал из коллоидного раствора квантовых точек. Эти точки, каждая размером от пяти до шести нанометров, демонстрируют очень высокую проводимость, когда собраны в упорядоченную матрицу, сохраняя при этом свои оптические свойства.

"Из литературы мы знали, что точки могут самоорганизовываться в двумерный упорядоченный слой. Мы хотели расширить это до 3D-материала", - говорит Лой. Чтобы достичь этого, они наполнили небольшие контейнеры жидкостью, которая служила "матрасом" для коллоидных квантовых точек. "Впрыснув небольшое количество на поверхность жидкости, мы создали двумерный материал. Затем, добавив больший объем квантовых точек, получилось получить упорядоченный 3D-материал.'

Сверхрешетка

Точки не погружаются в жидкость, а самоориентируются на поверхности для достижения низкоэнергетического состояния. "Точки имеют усеченную кубическую форму, и когда они соединяются вместе, они образуют упорядоченную структуру в трех измерениях; сверхрешетка, где точки действуют как атомы в кристалле", - объясняет Лой. Эта сверхрешетка, состоящая из суператомов квантовых точек, демонстрирует самую высокую подвижность электронов, о которой сообщалось для сборок квантовых точек.

Детекторы

Потребовалось специальное оборудование, чтобы определить, как выглядит новый метаматериал. Команда использовала электронный микроскоп с атомным разрешением, чтобы показать детали материала. Они также "изобразили" крупномасштабную структуру материала, используя технику, называемую малоугловым рассеянием рентгеновских лучей с падением при падении. "Обе методики доступны в Институте Цернике благодаря моим коллегам Барту Куи и Джузеппе Портале соответственно, которые оказали большую помощь", - говорит Лой.

Измерения электронных свойств материала показывают, что он очень похож на объемный полупроводник, но с оптическими свойствами точек. Таким образом, эксперимент прокладывает путь к созданию новых метаматериалов на основе квантовых точек. Чувствительность точек, используемых в настоящем исследовании, к инфракрасному свету может быть использована для создания оптических переключателей для телекоммуникационных устройств. "И они также могут быть использованы в инфракрасных детекторах для ночного видения и автономного вождения".

Грант ERC

Лой чрезвычайно доволен результатами экспериментов: "Люди мечтали достичь этого с 1980-х годов. Именно столько времени предпринимались попытки собрать квантовые точки в функциональные материалы. Контроль над структурой и свойствами, которых мы достигли, превзошел наши самые смелые ожидания". Лои сейчас работает над пониманием и совершенствованием технологии построения протяженных сверхрешеток из квантовых точек, но также планирует сделать это с другими строительными блоками, за что она недавно получила расширенный грант от Европейского Исследовательский совет. "Наш следующий шаг - усовершенствовать технику, чтобы сделать материалы более совершенными и изготовить из них фотоприемники".