PL242719B1 - Materiał dielektryczny emitujący światło - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest materiał dielektryczny emitujący światło, charakteryzujący się tym, że zawiera dielektryczną matrycę szklaną o wysokiej transmisji w zakresie długości fal od 0,35 nm do 5 μm, o dodatniej wartości rzeczywistej części przenikalności elektrycznej Re(ε)>0 w zakresie długości fali elektromagnetycznej UV/VIS/NIR i o niskich stratach dielektrycznych, domieszkowaną co najmniej jednego rodzaju półprzewodnikowymi kropkami kwantowymi o średnicy od 1,5 nm do 10 nm, oraz metalicznymi lub półprzewodnikowymi nanocząstkami o niskich stratach optycznych i ujemnej wartości rzeczywistej części przenikalności elektrycznej- Re(ε)<0 w zakresie długości fali elektromagnetycznej UV/VIS/NIR, wykazującymi rezonans plazmoniczny w zakresie długości fali od 0,35 nm do 55 μm.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest materiał dielektryczny emitujący światło mający zastosowanie w plazmonice, optoelektronice, optyce, fotonice, telekomunikacji, medycynie, biologii.

Znane są objętościowe materiały luminescencyjne zawierające matrycę szklaną domieszkowane kropkami kwantowymi. Z publikacji Achermann M., Petruska M.A., Kos S., Smith D.L., Koleske D.D., Klimov V.I. Nature 2004, 429, 642-6, wiadomo, że przerwa energetyczna w kropkach kwantowych zależy od ich średnicy. W związku z tym długość emitowanej fali świetlnej zależy nie tylko od chemicznego składu kropek, ale też od ich rozmiarów i kształtu. Ta własność oraz wąskie widmo luminescencji umożliwia szerokie wykorzystanie kropek kwantowych, w takich obszarach współczesnej techniki jak: wytwarzanie diod luminescencyjnych - Nozik A. Physica E. Low Dimens. Syst. Nanostruct. 2002, 14, 1 15-20, biosensory - Resch-Genger U., Grabolle M., Cavaliere-Jaricot S., Nitschke R., Nann T. Nat. Methods 2008, 5, 763-75, w technice laserowej - Sellers I. i in. Electron. Lett. 2004, 40, 1. Jeżeli matryca zawiera kilka rodzajów kropek, to dzięki szerokiemu pasmu absorpcji, możliwe jest ich wzbudzenie przez jedno źródło o określonej długości fali i wytworzenie materiału emitującego światło o dwóch lub nawet wielu długościach fal. W publikacji Dabbousi B.D. i in. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 9463-9475, pokazano możliwość wytworzenia przestrajalnych urządzeń optycznych, natomiast autorzy pracy Steckel, i in. J. Soc. Info Display 2015, 23, 294-305, wykazali możliwość wytworzenia ekranów LCD, w których zastosowanie mikrowłókien domieszkowanych różnego rodzaju kropkami kwantowymi umożliwia transformację niebieskiego światła na białe.

Z pracy Pang L., Shen Y., Tetz K., Fainman Y. Opt. Express 2005, 13, 44-9, znane są objętościowe materiały aktywne zawierające kropki kwantowe, gdzie matrycą są polimery. Matryce polimerowe mogą być jednak stosowane tylko w stosunkowo niskich temperaturach, a procedura domieszkowania kropkami kwantowymi często prowadzi do ich aglomeracji.

Z publikacji Rajh T., Vucemilovic M., Dimitrijevie N., Mieic O., Nozik A., Chem. Phys. Lett. 1988, 143, 305-8, znane są materiały, w których matryca szklana domieszkowana jest nanokryształami przy wykorzystaniu metody zol-żel. Wykorzystanie tej metody ogranicza się jednak głównie do szkieł krzemionkowych, a domieszkowanie jednej matrycy kilkoma rodzajami nanokryształów jest procesem trudnym technologicznie.

Materiał według wynalazku może być otrzymywany przy wykorzystaniu metody bezpośredniego domieszkowania nanocząsteczkami, znanej z publikacji Gaje M. i in. Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 3443-5, oraz z patentu nr EP2570396 A2. Metoda ta umożliwia łatwe domieszkowanie objętościowej matrycy szklanej kilkoma rodzajami domieszek w postaci nanocząstek, kropek kwantowych czy też jonów aktywatorów.

Materiał dielektryczny emitujący światło, zawierający dielektryczną matrycę szklaną w postaci szkła nieorganicznego boranowo-fosforanowego z dodatkiem sodu o wzorze chemicznym Na5B2P3O13, o wysokiej transmisji w zakresie długości fal od 0,35 μm do 5 μm, o dodatniej wartości rzeczywistej części przenikalności elektrycznej Re(ε) > 0 w zakresie długości fali elektromagnetycznej UV/VIS/NIR i o niskich stratach dielektrycznych, zgodnie z wynalazkiem charakteryzuje się tym, że jest jednocześnie domieszkowany półprzewodnikowymi kropkami kwantowymi CdTe o stężeniu powyżej 0,1% wag., o średnicy od 1,5 nm do 10 nm i kropkami kwantowymi CdSe/ZnS lub nanocząstkami Ag o stężeniu od 0,1 do 10% wag. w postaci sfer lub nanodrutów, o temperaturze topnienia wyższej od temperatury topnienia matrycy oraz o ujemnej wartości rzeczywistej części przenikalności elektrycznej Re(ε) < 0 w zakresie długości fali elektromagnetycznej UV/VIS/NIR, wykazującymi rezonans plazmoniczny w zakresie długości fali od 0,35 μm do 5 μm.

Korzystnie, materiał zawiera w matrycy jednocześnie kropki kwantowe CdSe/ZnS i CdTe o stężeniu większym niż 0,1% wag. każde.

Korzystnie, materiał w matrycy dielektrycznej zawiera jednocześnie nanocząstki plazmoniczne oraz kropki kwantowe.

Materiał według wynalazku jest objętościowym materiałem, który może być domieszkowany jednocześnie kilkoma rodzajami kropek kwantowych i nanocząstkami metali lub półprzewodników w jednym procesie technologicznym.

Materiał według wynalazku poprzez możliwość zastosowania kropek kwantowych o różnej średnicy i różnym składzie chemicznym umożliwia kontrolę długości emitowanej fali świetlnej. Jednoczesne domieszkowanie kilkoma rodzajami kropek kwantowych, umożliwi wytworzenie materiału emitującego światło o dwóch lub nawet wielu długościach fal. Natomiast współdomieszkowanie kropkami kwantowymi i nanocząstkami o własnościach plazmonicznych, dzięki wykorzystaniu zjawiska transferu energii pomiędzy nanocząstkami a kropkami kwantowymi, powoduje wzmocnienie emisji kropek kwantowych.

Materiał według wynalazku ma zastosowanie zależnie od potrzeb w postaci prętów, taśm, bądź warstw lub odpowiednio przygotowanych ich fragmentów.

Podane niżej przykłady ilustrują materiał według wynalazku w konkretnym przypadku jego wykonania, nie ograniczając zakresu jego stosowania, w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia pręt z matrycą szklaną NBP otrzymany metodą bezpośredniego domieszkowania kropkami kwantowymi CdSe/ZnS (0,3% wag.) oraz CdTe, (0,3% wag.), fig. 2 - widmo luminescencji zmierzone dla tego pręta, fig. 3 - widmo luminescencji zmierzone dla matrycy NBP domieszkowanej pojedynczo kropkami kwantowymi CdTe o średnicy 1,5 nm oraz podwójnie: kropkami kwantowymi CdTe o średnicy 1,5 nm i nanocząstkami srebra w ilości 0,4% wag.

Przykład 1

Matryca szklana ze szkła boranowo-fosforanowego o wzorze Na5B2P3O13 zawierająca 0,3% wag. kropek kwantowych CdTe o średnicy 5,4 nm i 0,3% wag. kropek kwantowych CdSe/ZnS o średnicy 3,1 nm. Z przygotowanego materiału wykonuje się pręt o średnicy 5 mm, wykorzystując metodę mikrowyciągania. Widmo luminescencji wykazuje dwa piki o długości fali 596 nm i 720 nm będące wynikiem emisji odpowiednio kropek CdSe/ZnS oraz CdTe, co pokazano na fig. 2.

Przykład 2

Matryca szklana ze szkła boranowo-fosforanowego o wzorze Na5B2P3O13 domieszkowana 0,3% wag. kropek kwantowych CdTe o średnicy 1,5 nm i 0,4% wag. nanocząstek srebra o średnicy 20 nm. Widmo luminescencji w przypadku jednoczesnego domieszkowania kropkami kwantowymi i nanocząstkami wykazuje znaczne wzmocnienie krótkofalowej emisji CdTe o długości fali 502,5 nm, co pokazano na fig. 3. Szerokość połówkowa piku FWHM wynosi 13 nm.

Claims (3)

1. Materiał dielektryczny emitujący światło, zawierający dielektryczną matrycę szklaną w postaci szkła nieorganicznego boranowo-fosforanowego z dodatkiem sodu o wzorze chemicznym Na5B2P3O13, o wysokiej transmisji w zakresie długości fal od 0,35 μm do 5 μm, o dodatniej wartości rzeczywistej części przenikalności elektrycznej Re(ε) > 0 w zakresie długości fali elektromagnetycznej UV/VIS/NIR i o niskich stratach dielektrycznych, znamienny tym, że jest jednocześnie domieszkowany półprzewodnikowymi kropkami kwantowymi CdTe o stężeniu powyżej 0,1% wag., o średnicy od 1,5 nm do 10 nm i kropkami kwantowymi CdSe/ZnS lub nanocząstkami Ag o stężeniu od 0,1 do 10% wag. w postaci sfer lub nanodrutów, o temperaturze topnienia wyższej od temperatury topnienia matrycy oraz o ujemnej wartości rzeczywistej części przenikalności elektrycznej Re(ε) < 0 w zakresie długości fali elektromagnetycznej UV/VIS/NIR, wykazującymi rezonans plazmoniczny w zakresie długości fali od 0,35 μm do 5 μm.

2. Materiał według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera w matrycy jednocześnie kropki kwantowe CdSe/ZnS i CdTe o stężeniu większym niż 0,1% wag. każde.

3. Materiał według zastrz. 1, znamienny tym, że w matrycy dielektrycznej zawiera jednocześnie nanocząstki plazmoniczne oraz kropki kwantowe.