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计算结果表明,硅纳米晶的荧光间歇现象是由表面缺陷引起的

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-12-01  浏览次数:22
核心提示:量子点是半导体的纳米粒子,可以调谐成彩虹般的颜色。自20世纪80年代被发现以来,这些引人注目的纳米颗粒为各种新技术提供了诱人

量子点是半导体的纳米粒子,可以调谐成彩虹般的颜色。自20世纪80年代被发现以来,这些引人注目的纳米颗粒为各种新技术提供了诱人的前景,这些新技术包括涂漆照明材料和太阳能电池、量子计算机芯片、生物标记,甚至激光和通信技术。

 

但有一个问题:量子点经常闪烁。


科学家们称之为“荧光间歇性”的现象阻碍了许多潜在的应用。激光和逻辑门在不确定的光源下不能很好地工作。量子点也能吸收特定颜色的光,但利用它们在光伏发电中收集阳光还不是很有效,部分原因是闪烁背后的机制。


最近,美国能源部国家能源研究科学计算中心(NERSC)的芝加哥大学(University of Chicago)的科学家们利用模拟技术探索了硅量子点的神秘闪烁过程。他们的研究结果发表在2月28日的《纳米尺度》(Nanoscale)杂志上,这让科学家们更接近于理解——也可能是补救——这个问题。


激发一个量子点,它会以特定的光的颜色发出明亮的光。改变几个原子的宽度,你可以调整它发出不同的颜色:点越小,光线越蓝。点越大,颜色越红。量子点同样可以被调谐以吸收特定波长的光,这是太阳能电池的一个有用特性。


相比之下,大块半导体的分子结构决定(和限制)光(或能量)发射和吸收的颜色。因此,一种材料制成的发光二极管(LED)可以发出绿色的光,而另一种材料发出红色的光。要得到不同的颜色,你必须使用不同的材料。同样,太阳能电池也使用不同的材料层来捕捉不同波长的光。


那么,为什么半导体的纳米晶体与相同材料的更大晶格的行为如此不同呢?总之:大小。量子点很小,它们存在于牛顿力学和量子物理学之间的模糊地带,有时遵循一套规则,有时遵循另一套规则,往往会产生令人惊讶的效果。
计算结果表明,硅纳米晶的荧光间歇现象是由表面缺陷引起的


只有少数原子宽,量子点可以照亮最小的生物结构,如癌细胞。然而,它们比今天的荧光染料发出更亮、持续时间更长,而且可以通过添加或减去一些原子而不是使用不同的材料合成出不同颜色的荧光。


虽然大块半导体的晶体可以失去和重新获得电子(这就是它们如何进行电荷的),但量子点的电子却被限制在这个点内。这种状态称为量子约束。当一个量子点的电子与光相互作用时,它们可以经历一个跃迁和“跳跃”(量子力学)到一个在正常条件下没有被占据的状态。与最小跳跃相关联的能量叫做间隙。因此,这个缺口就是电子在轰击到较低的能态时所能释放出的多余能量,理想情况下,电子可以以光的形式(或者在光电的情况下,以载流子的形式)释放出来。因此,材料的半径决定了这些点能够吸收和释放的能量。


然而,量子点往往会忽明忽暗。这种忽明忽暗不是随机的(它遵循“幂律”),但它也是不可预测的。因此,单个粒子可能只黑了纳秒,或者在一段时间内或其间的某一段时间内保持黑暗几分钟。


芝加哥大学(University of Chicago)博士后马顿?沃罗斯(Marton Voros)说,科学家对眨眼的原因有一些想法,但仍不清楚它是如何工作的。


“有一种观点认为,表面缺陷,例如纳米晶体表面的悬空键,可以捕获电子,并导致亮态和暗态之间的切换,”在NERSC进行计算的沃罗斯说。“其他依赖缺陷的团队已经提出了相当多的微观模型,但仍缺乏全面的理解。”


 
 
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