Publikacja w The Journal of Physical Chemistry Letters (2024)
26 10 2024
Publikacja powstała w wyniku współpracy grupy profesora Ł. Kłopotowskiego z Instytutu Fizyki PAN z naukowcami Wydziału Chemii Politechniki Warszawskiej, Wydziału Fizyki UW oraz grupy Spektroskopii Femtosekundowej „InFemto” z naszego Wydziału, w osobach dr Daria Larowska-Zarych, dr Kamil Polok oraz prof. Wojciech Gadomski.
W spektroskopii femtosekundowej absorpcji przejściowej możemy badać przebieg ultraszybkich procesów zachodzących po zaabsorbowaniu światła przez próbkę. W tym celu wykorzystuje się parę impulsów laserowych o czasie trwania rzędu kilkudziesięciu do kilkuset femtosekund (1 fs = 10‑15 s). Pierwszy, intensywny impuls, zwany pompującym, o energii fotonów dopasowanej do odpowiedniego przejścia energetycznego w próbce, służy do zainicjowania badanych procesów. W ich trakcie dochodzi do zmian widma absorpcyjnego próbki. Są one rejestrowane przez impuls sondujący o szerokim widmie optycznym otrzymanym w wyniku procesu generacji białego superkontinuum. Impuls „sondy” dociera do próbki ze zmiennym, precyzyjnie kontrolowanym opóźnieniem, i tak zmiany w jego widmie precyzyjnie odzwierciedlają zachodzącą w skali fs, ps …, czasową ewolucję widma absorpcyjnego próbki. Spektroskopia femtosekundowej absorpcji przejściowej pozwala na obserwację dynamiki relaksacji wzbudzonych optycznie stanów elektronowych w zakresie czasu od femtosekund (1 fs = 10‑15 s) do nanosekund, dostarczając informacji na temat promienistych i bezpromienistych ścieżek relaksacji energetycznej. Techniką tą możemy badać procesy zachodzące w materiałach mogących mieć zastosowanie w ogniwach słonecznych nowej generacji (np. kropki kwantowe, perowskity, barwniki), układach fotochromowych, pamięciach i przełącznikach optycznych, w urządzeniach elektronicznych nowej generacji (np. wyświetlaczach), czy też w terapii fotodynamicznej lub sztucznej fotosyntezie.
W opublikowanej pracy została zbadana dynamika nośników ładunku (elektronów i dziur) w kropkach kwantowych, a konkretnie w półprzewodnikowych nanokryształach w postaci stopu Ag–In–Zn–S o niestechiometrycznym składzie. Układy te są wydajnymi fluoroforami, a ich duża tolerancja na niestechiometryczność składu pozwala na regulację właściwości optycznych i uzyskiwanie wydajności kwantowych fotoluminescencji zbliżonych do jedności. Jednakże, słabe zrozumienie mechanizmu rekombinacji nośników ładunku w tych materiałach ogranicza ich dalszy rozwój. W prezentowanej pracy szczegółowy obraz dynamiki nośników ładunku został uzyskany dzięki pomiarom femtosekundowej absorpcji przejściowej (w grupie InFemto WCh) w temperaturze pokojowej oraz dynamiki fotoluminescencji w funkcji temperatury, gdzie część pomiarów została też wykonana dla kropek kwantowych posiadających na powierzchni cząsteczki wychwytujące elektrony. Przedstawiona praca podważa dominujące założenie, że fotoluminescencja tych układów wynika z rekombinacji elektronu i dziury zlokalizowanych (spułapkowanych) na defektach sieci krystalicznej. Uzyskane wyniki wskazują, że fotoluminescencja następuje w wyniku rekombinacji elektronu zdelokalizowanego w obrębie całej kropki kwantowej z dziurą zlokalizowaną na defekcie sieci krystalicznej. Zaprezentowane wyjaśnienie mechanizmu fotoluminescencji powinno ułatwić dalsze prace mające na celu jednoczesną kontrolę zakresu widmowego emitowanego promieniowania, jak i optymalizację wydajności świecenia tego typu układów.
Dane bibliograficzne i link do artykułu:
Carrier Dynamics and Recombination Pathways in Ag–In–Zn–S Quantum Dots
A. Ćwilich, D. Larowska-Zarych, P. Kowalik, K. Polok, P. Bujak, M. Duda, T. Kazimierczuk, W. Gadomski, A. Proń, Ł. Kłopotowski
The Journal of Physical Chemistry Letters 2024, 15, 42, 10479–10487
https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.4c02126
