Optoelectronică mono moleculară

1. Introducere

Avand diferite stari, anumiti atomi nanoclusteri de Agn prezinta un comportament de molecula cu o vizibila fluorescenta si cu puternice proprietati optice. Aceasta noua categorie de mono-molecule fluoroforme au fost create si conectate electric in straturi subtriri pentru a produce primele mono-molecule electroluminoscente. O raportare directa la nano-scara sustine injectia si transportul prin diferite nivele de energie, electroluminoscenta Agn luminoasa a fost folosita pentru a crea mono-molecule , diode ce emit lumina(LED) si porti logice optoelectronice si chiar pentru a demonstra operatiile de aditie completa. Aceste experimente utilizeaza marimi mici si comportamentul cuantic individual al nanoclusterilor Ag facand introducerea in noul camp al mono-moleculelor optoelectronice.

Prezentand o rafinata sensibilitate la mediul inconjurator, spectroscopia mono-moleculelor a fost prima data demonstrata la temperaturi criogenice, dar acestea au explodat rapid cu nenumarate aplicatii la temperatura camerei. Cu toate se manifesta foarte diferit la temperatura camerei datorita extinderii mari spectrale, sensibilitatea similara acestui cadru persista si permite o vasta serie de experieminte de cercetare a dinamicii nanoscalare. Gama, in continua expansiune, s-a maturizat observabil experimental, de la trasformari spectrale la clipiri inconjuratoare, dinamica orientata tridimensional, alteratii pe durata functionarii si chiar analize statistice foton cu foton pentru a extrage informatii importante despre o larga gama de sisteme fizice, chimice si biologice.

In majoritatea cazurilor, durata de viata limitata si foto-albirea chiar si a celor mai buni cromofori utilizeaza limita mono-moleculelor si la scara de lunga durata si de scurta durata. Analizele statistice foton-cu- foton au ameliorat unele ingrijorari cu privire la scurta durata, dar fundamental, cateva nanosecunde radiative si ≈10-16 cm2 absorbita transversal sectiunii limita, emisia se situeaza mai sus (ex. kW/cm2) incident cu intensitatea laser. Deoarece fotonii transmit informatii despre mono-molecule si mediile lor, durata de viata radiativa trebuie sa scada, iar absorbtia trasverasala a sectiunii sa creasca pentru a crea simultan floroformi mai luminosi si a obtine informatii intr-un timp scurt. Informatia de lunga durata este similar limitata de foto-albirea ireversibila. Deoarece mono-moleculele de coloranti bune emit de obicei ≈107 fotoni inainte de foto-albire, atat timpul de observare cat si timpul de rezolutie raman constranse.

Cat timp marile avansari au fost produse de urmarirea dinamicii sistemelor tot mai complexe, telul nostru a fost de a trece peste folosirea mono-moleculelor doar ca probe in sisteme heterogene si, in loc, sa developam adevarate mono-molecule optoelectronice. Asemenea mono-molecule electroluminoscente ar trebui sa profite de dimensiuni foarte mici si de un comportament cuantic al emitatorilor electrici excitati individual. Cu toate acestea, pentru a crea mono-molecule optoelectronice puternic luminoase si de lunga durata, noii emitatori ultrastabili cu durate de viata radiative rapide trebuie sa fie developati astfel incat sa emita eficient atunci cand trec peste nanoscala electrozilor.

2. Nanoclusteri puternic fluorescenți de metale nobile

Pentru a ne atinge obiectivele, am creat metale electronice cu conținut liber, cuantic, care se comportă ca o nouă clasă din atomii artificiali cu proprietăți optice de dimensiuni reglabile în soluții și pe suprafețe de oxid. Fără decalajul unei benzi, nanoclusterii metalici de dimensiuni reglabile trebuie să fie mai aproape de dimensiunile atomice și, prin urmare, mult mai mici decât semiconductorii pentru a arăta niveluri de energie discrete. Crearea nanoclusterilor metalici necesită în mod inerent înțelegerea atomului la tranziția nanoparticulei care cuprinde "metalele scalei moleculare“. Astfel de metale moleculare își păstrează nivelul energiei discrete cu grad ridicat de polarizare și potențial puternic al tranzitiei fluorescente dintre ele. Argintul și aurul, de exemplu, prezintă scalări de emisie unice datorate electronilor de la extremitățile fiecarui atom de metal fiind delocalizați atât în sol, cât și excitați static pentru a permite tranziții între stări discrete în interiorul benzii de conducere nanocluster. Efectele dependentelor de dimensiune sunt observate numai atunci când electronii liberi sunt limitati în raport cu lungimea de undă Fermi (~ 1 nm) ai electronilor din banda de conducere nanocluster. Din cauza degenerărilor de umplere a cochililor, energiile de tranziție se scindează linear cu raza de cluster inversă (R-1) așa cum a fost prevăzută de modelul delocalizat sferic liber-electron, făcând acești multielectroni atomi artificiali .

Geometriile bine definite și densitatea redusă a stărilor de nanoclusteri mici de nobili de metal generează niveluri de energie electronice asemănătoare moleculelor. În mod experimental, nanoclusterii de argint izolați în matrice și în fază gazoasă prezintă absorbțiediscretă,fluorescență și potențial de ionizare bine definit. Geometriile și nivelele de energie discrete ale acestor nanoclusteri cu mai multe atomi pot fi de asemenea calculate cu o precizie rezonabilă. Este foarte probabil ca Ag5, Ag6 și Ag7 să aibă și fluorescență vizibilă, deoarece spectrele lor de absorbție sunt de asemenea în domeniul vizibil. Nanoclusterii mai mari (AgN, Ng 10) pot absorbi lumina roșie galbenă și pot asigura o adaptabilitate suplimentară în zona roșie sau în apropierea IR33.