油漆半導(dǎo)體的輝煌光芒來自華麗的量子物理學(xué)

LED燈和顯示器以及高質(zhì)量的太陽能電池板誕生于半導(dǎo)體領(lǐng)域的革命，有效地將能量轉(zhuǎn)換為光能，反之亦然。現(xiàn)在，下一代半導(dǎo)體材料即將出現(xiàn)，在一項(xiàng)新的研究中，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了古怪的物理學(xué)背后他們?cè)俅无D(zhuǎn)變照明技術(shù)和光伏發(fā)電的潛力。

將這些新興的所謂混合半導(dǎo)體的量子特性與其已有的前輩的量子特性進(jìn)行比較，就像將Bolshoi Ballet與跳躍式千斤頂進(jìn)行比較一樣。根據(jù)喬治亞理工學(xué)院研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一組物理化學(xué)家的說法，量子粒子的旋轉(zhuǎn)團(tuán)體在新興材料中波動(dòng)，輕松地創(chuàng)造出非常理想的光電(光電子)特性。

在已建立的半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)這些相同的特性是不切實(shí)際的。

穿過這些新材料的粒子也會(huì)在量子動(dòng)作中與材料本身接觸，類似于誘使地板與它們共舞的舞者。研究人員能夠測(cè)量由舞蹈引起的材料模式，并將它們與新興材料的量子特性和引入材料的能量聯(lián)系起來。

這些見解可以幫助工程師有效地利用新一代半導(dǎo)體。

異常靈活的半導(dǎo)體

新興材料能夠容納多樣化，偏心的量子粒子運(yùn)動(dòng)，類似于舞者，與其在分子水平上的不同尋常的靈活性直接相關(guān)，類似于舞蹈中的舞池。相比之下，已建立的半導(dǎo)體具有剛性的，直線的分子結(jié)構(gòu)，使得跳舞成為量子粒子。

研究人員研究的混合半導(dǎo)體類別稱為鹵化物有機(jī) - 無機(jī)鈣鈦礦(HOIP)，將在底部更詳細(xì)地解釋“混合”半導(dǎo)體名稱，它將半導(dǎo)體中常見的晶格與層結(jié)合起來。創(chuàng)新性地彎曲材料。

除了他們獨(dú)特的光芒和能源效率的承諾，HOIPs易于生產(chǎn)和應(yīng)用。

涂上它們

喬治亞理工學(xué)院化學(xué)與生物化學(xué)學(xué)院教授卡洛斯席爾瓦說：“一個(gè)令人信服的優(yōu)勢(shì)是，HOIPs是用低溫制造的，并在溶液中加工。” “制造它們需要更少的能量，你可以大批量生產(chǎn)。” 席爾瓦與喬治亞理工學(xué)院的Ajay Ram Srimath Kandada和Istituto Italiano di Tecnologia共同領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。

制造大多數(shù)半導(dǎo)體需要高溫，并且它們很難應(yīng)用于表面，但HOIP可以涂上LED，激光甚至窗玻璃，可以發(fā)出任何顏色，從海藍(lán)寶石到紫紅色。采用HOIP照明可能需要的能源非常少，太陽能電池板制造商可以提高光伏發(fā)電的效率并降低生產(chǎn)成本。

佐治亞理工學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)包括來自比利時(shí)UniversitédeMons和Istituto Italiano di Tecnologia的研究人員。結(jié)果發(fā)表于2019年1月14日的“ 自然材料 ”雜志。這項(xiàng)工作由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)，歐盟地平線2020，加拿大自然科學(xué)和工程研究委員會(huì)，F(xiàn)ondQuébécoispourla Recherche和比利時(shí)聯(lián)邦科學(xué)政策辦公室資助。

量子跳躍千斤頂

光電器件中的半導(dǎo)體可以將光轉(zhuǎn)換為電或電轉(zhuǎn)換為光。研究人員專注于與后者相關(guān)的過程：光發(fā)射。

從廣義上講，讓材料發(fā)光的技巧是將能量施加到材料中的電子上，這樣它們就可以從原子周圍的軌道上跳起來，然后當(dāng)它們跳回到軌道時(shí)，將這些能量作為光發(fā)射出去。他們已經(jīng)騰空了。已建立的半導(dǎo)體可以在材料區(qū)域內(nèi)捕獲電子，嚴(yán)格限制電子的運(yùn)動(dòng)范圍，然后向這些區(qū)域施加能量，使電子一致地發(fā)生量子跳躍，當(dāng)它們一致跳回時(shí)發(fā)出有用的光。

“這些是量子阱，這些材料的二維部分限制了這些量子特性以產(chǎn)生這些特殊的發(fā)光特性，”席爾瓦說。

想象中的粒子興奮

有一種潛在的更具吸引力的光產(chǎn)生方式，它是新型混合半導(dǎo)體的核心優(yōu)勢(shì)。

電子具有負(fù)電荷，并且在被能量激發(fā)后空出的軌道是稱為電子空穴的正電荷。電子和空穴可以相互旋轉(zhuǎn)形成一種假想的粒子，或者稱為激子的準(zhǔn)粒子。

席爾瓦說：“激子中的正負(fù)吸引力被稱為結(jié)合能，它是一種非常高能量的現(xiàn)象，這使得發(fā)光非常有用。”

當(dāng)電子和空穴重新團(tuán)聚時(shí)，釋放出結(jié)合能產(chǎn)生光。但通常，激子很難在半導(dǎo)體中維持。

“傳統(tǒng)半導(dǎo)體的激子特性僅在極冷的溫度下才能保持穩(wěn)定，”席爾瓦說。“但在HOIPs中，激子特性在室溫下非常穩(wěn)定。”

激子從原子中釋放出來并在材料周圍移動(dòng)。此外，HOIP中的激子可以圍繞其他激子旋轉(zhuǎn)，形成稱為雙激子的準(zhǔn)粒子。而且還有更多。

激子也圍繞材料晶格中的原子旋轉(zhuǎn)。電子和電子空穴產(chǎn)生激子的方式很多，圍繞原子核的激子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生另一個(gè)稱為極化子的準(zhǔn)粒子。所有這些動(dòng)作都可能導(dǎo)致激子轉(zhuǎn)變?yōu)闃O化子。人們甚至可以談?wù)撘恍┚哂?ldquo;極地”細(xì)微差別的激子。

使所有這些動(dòng)力學(xué)復(fù)合的事實(shí)是HOIP充滿帶正電荷和負(fù)電荷的離子。這些量子舞的華麗對(duì)材料本身產(chǎn)生了重要影響。

波浪模式產(chǎn)生共鳴

材料原子在電子，激子，雙激子和極化子的這些舞蹈中的罕見參與在材料中產(chǎn)生重復(fù)的納米級(jí)壓痕，其可以作為波形圖案觀察到并且隨著添加到材料中的能量的量而移動(dòng)和通量。

“在基態(tài)，這些波浪模式看起來會(huì)有某種方式，但是在增加能量的情況下，激子會(huì)以不同的方式做事。這會(huì)改變波形，這就是我們測(cè)量的，”席爾瓦說。“該研究的關(guān)鍵觀察結(jié)果是，波動(dòng)模式隨著不同類型的激子(激子，激子，極化/極性較小)而變化。”

壓痕也會(huì)夾住激子，減緩它們?cè)诓牧现械囊苿?dòng)性，所有這些華麗的動(dòng)態(tài)都可能影響光的發(fā)射質(zhì)量。

橡皮筋三明治

該材料是鹵化物有機(jī) - 無機(jī)鈣鈦礦，是兩個(gè)無機(jī)晶格層的夾層，它們之間有一些有機(jī)材料 - 使HOIP成為有機(jī) - 無機(jī)雜化材料。量子作用發(fā)生在晶格中。

中間的有機(jī)層就像一片橡皮筋，使晶格成為一個(gè)搖擺但穩(wěn)定的舞池。此外，HOIP與許多非共價(jià)鍵結(jié)合在一起，使材料變軟。

晶體的各個(gè)單元采用稱為鈣鈦礦的形式，這是一種非常均勻的菱形形狀，中心有金屬，點(diǎn)上有鹵素如氯或碘，因此是“鹵化物”。在這項(xiàng)研究中，研究人員使用了配方(PEA)2PbI4的二維原型。