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来源:未知2019-12-03 11:23:57热度:

研究人员发现用硅分裂和求和光子的新方法

德克萨斯大学奥斯汀分校和加州大学河滨分校的一组研究人员找到了一种产生长期假设现象的方法,即硅与有机碳基分子之间的能量转移,这一突破具有重大意义。用于量子计算,太阳能转换和医学成像中的信息存储。这项研究在今天发表在《自然化学》杂志上的一篇论文中进行了描述。

硅是地球上最丰富的材料之一,并且在从为计算机提供动力的半导体到几乎所有太阳能面板中使用的电池等所有领域中都是至关重要的成分。但是,就其所有能力而言,硅在将光转换为电方面存在一些问题。不同颜色的光由光子组成,光子是携带光能的粒子。硅可以有效地将红色光子转换为电能,但是对于蓝色光子,其携带的能量是红色光子的两倍,因此硅会损失大部分能量。

这项新发现为科学家提供了一种方法,可以通过将硅与一种基于碳的材料配对来提高硅的效率,该材料可以将蓝色光子转换成成对的红色光子,从而可以更有效地利用硅。还可以对该混合材料进行调整,使其反向运行,吸收红光并将其转换为蓝光,这对医学治疗和量子计算具有重要意义。

“ 我们与硅配对的有机分子是一种称为蒽的碳灰。它基本上是烟灰,” UT Austin化学助理教授肖恩·罗伯茨说。该论文描述了一种将硅化学连接到蒽上的方法,该方法创建了一条分子线,该线允许能量在硅和类似灰烬的物质之间转移。“我们现在可以对这种材料进行微调,以对不同波长的光做出反应。想象一下,对于量子计算,能够调整和优化一种材料,将一个蓝色光子变成两个红色光子或将两个红色光子变成一个蓝色。它非常适合信息存储。”硅分子敏捷能量转移驱动光子上转换。图片提供:德克萨斯大学奥斯汀分校的肖恩·罗伯茨(Sean Roberts)

四十年来,科学家一直认为,将硅与一种能更好地吸收蓝光和绿光的有机材料配对,可能是提高硅将光转换为电能的能力的关键。但是,简单地将两种材料分层,就永远不会实现预期的“自旋三重态激子传递”,这是实现该目标所需的一种特殊类型的从碳基材料到硅的能量传递。罗伯茨(Roberts)和加州大学河滨分校的材料科学家描述了它们是如何通过细线将硅纳米晶体与蒽连接起来的,从而打破了僵局,首次在它们之间产生了预期的能量传递。

 

罗伯茨说:“面临的挑战是将成对的激发电子从这些有机材料中转移到硅中。这不能仅仅通过在另一个的顶部沉积一个就完成。” “需要在硅和这种材料之间建立一种新型的化学界面,以使它们进行电子通信。”

罗伯茨(Roberts)和他的研究生艾米莉·劳尔森(Emily Raulerson)在一个特殊设计的分子上测量了这种效应,该分子附着在硅纳米晶体上,合作者的创新是Ming Lee Tang,Lorenzo Mangolini和UC Riverside的Pan Xia。Roberts和Raulerson使用超快激光发现,两种材料之间的新分子线不仅快速,有弹性且高效,而且可以有效地将约90%的能量从纳米晶体转移到分子上。

Raulerson说:“我们可以使用这种化学方法来制造吸收和发射任何颜色光的材料。”他说,通过进一步的微调,将类似的硅纳米晶体束缚在分子上可以从无电池的夜间应用中产生各种应用。视觉护目镜转向新型微型电子设备。

能量较低的绿色激光穿过硅量子点,硅量子点会重新发射或上转换为高能量蓝光。图片来源:Lorenzo Mangolini和Ming Lee Tang / UCR

此类其他高效过程,称为光子上转换,以前依赖于有毒物质。由于新方法仅使用无毒材料,因此为人类医学,生物成像和环境可持续技术中的应用打开了大门,Roberts和UT Austin化学家Michael Rose正在努力实现这一目标。

在UC Riverside,Tang的实验室率先提出了如何将有机分子连接到硅纳米颗粒的方法,而Mangolini的小组设计了硅纳米晶体。

机械工程学副教授Mangolini说:“新颖性实际上是如何使这种结构的两个部分(有机分子和量子受限的硅纳米晶体)协同工作。” “我们是第一个真正将两者结合在一起的组织。”

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