HOIP 被涂在外观上

近日,美国佐治亚理工学院领导的研究团队展开的一项新研究,揭开了钙钛矿杂化半导体材料背后隐藏的量子物理学奥秘。 近日,美国佐治亚理工学院领导的研究团队展开的一项新研究...


  近日,美国佐治亚理工学院领导的研究团队展开的一项新研究,揭开了钙钛矿“杂化半导体”材料背后隐藏的量子物理学奥秘。

  近日,美国佐治亚理工学院领导的研究团队展开的一项新研究,揭开了钙钛矿“杂化半导体”材料背后隐藏的量子物理学奥秘。

  半导体光电器件,将“光”和“电”这两种物理量联系起来,使“光”和“电”互相转化。它们能将电能转化为光能,例如LED;反之亦然,它们也能将光能转化为电能,例如太阳能电池。

  在半导体工业中,光电器件扮演着非常重要的角色。在现代社会中,硅基光电器件几乎无处不在。然而,传统的硅基光电半导体器件,在性能、效率、成本、柔性等方面都受到了限制。因此,科学家们正在积极探索新型半导体材料,例如氮化镓、氧化镓、碳化硅等。这也意味着,新一代半导体材料正在崭露头角。

  近年来,一种称为“钙钛矿”的材料受到了各国科学家的普遍追捧。它具有特殊的稳定结构,有利于缺陷的扩散迁移,因此具备了电催化性、吸光性等优秀的物理化学特性。正如笔者之前介绍的,钙钛矿材料已经在LED灯、太阳能电池等光电器件中得到了应用。它有望再一次改变照明技术与光伏技术。

  近日,美国佐治亚理工学院领导的研究团队展开的一项新研究,揭开了钙钛矿“杂化半导体”材料背后隐藏的“违背经典”的量子物理学奥秘。

  下图所示:在佐治亚理工学院 Carlos Silva 的实验室中,可见光范围内的激光用于测试材料中的量子特性。

  研究团队包括了来自比利时蒙斯埃诺大学、意大利理工学院的研究人员。2019年1月14日,相关研究成果发表在《自然材料(Nature Materials)》期刊上。这项研究得到了美国国家科学基金会、欧盟地平线计划、加拿大自然科学与工程研究委员会、魁北克研究基金会、比利时联邦科学政策办公室的资助。

  佐治亚理工学院化学与生物化学学院的教授 Carlos Silva 与来自佐治亚理工学院和意大利理工学院的 Ajay Ram Srimath Kandada 一起领导了这项研究。

  下图所示:Carlos Silva(左)与研究生助理 Flix Thouin 正在检查处理可见光范围的激光的装置。该装置用于测试卤化物有机-无机钙钛矿中的量子特性。

  美国佐治亚理工学院研究人员领导的物理化学家团队称,这些新兴的所谓“杂化半导体”与他们的前辈们相比,就像“芭蕾舞”与“开合跳”相比。在这种新兴材料中,旋转的量子粒子波动起伏,如同一群芭蕾舞者,娴熟地制造出令人羡慕的光电特性。然而,相同的特性却无法在现有的半导体中实现。

  粒子运动着通过这些新材料,也使得材料本身参与到量子作用中来,类似于芭蕾舞者让舞池与他们共舞。研究人员们测量材料中由于“舞蹈”引起的波形图案,并将这些波形与“新兴材料的量子特性”以及“引入材料的能量”相互关联起来。

  这些新兴材料容纳着各种各样“违背经典”的量子粒子运动(如同芭蕾舞者),这种能力直接与其分子级别超乎寻常的“柔性”相关,如同舞池也参与到舞蹈之中。相比而言,现有的半导体的刚性、刻板的分子结构,使其无法参与量子粒子的舞蹈。

  研究人员们研究的这一类杂化半导体,称为“卤化物有机-无机钙钛矿(HOIP)”。这种半导体将一种晶体结构(半导体中普遍采用)与一层创新的柔性材料相结合。

  Silva 表示:“一个令人信服的优势就是,HOIP 可于低温条件下在溶液中加工生成。制造它所需的能量更少,且可大批量生产。”

  一般来说,大多数的半导体需要在高温条件下才能少量地制造出来,而且这些半导体是刚性的,无法应用到表面上。但是,HOIP 被涂在表面上,制造出LED、激光器,或者甚至是发出从海蓝色到紫红色的各种颜色光线的玻璃窗。采用HOIP 照明,不仅所需的能量很少,而且也能让太阳电池板的制造商提升光伏效率以及降低生产成本。

  光电子器件中的半导体可以将光线转化为电力,也可以将电力转化为光线。然而,研究人员集中精力研究了与后者(发光)相关的工艺。

  让材料发光的玄机在于:泛泛地说,向材料中的电子施加能量,使其从围绕原子的轨道上产生量子跃迁,然后当它们跳回到之前空出的轨道上时,会以光的形式激发出能量。现有的半导体能将电子束缚在材料中的某些区域,这些区域严格限制了电子运动的范围,然后向这些区域施加能量会使得电子们一起产生量子跃迁,当它们一起跳回来的时候,就会发出有用的光线。

  Silva 表示:“这些就是量子阱,材料中的二维部分,限制这些量子特性,从而创造出这些特殊的发光特性。”

  电子具有负电荷,电子受能量激发后脱离原有轨道,原有轨道就变成了正电荷,也就是所谓的“空穴”。电子与空穴围绕着彼此旋转形成了一种所谓的“虚粒子”,或者说“准粒子”,称为“激子”(笔者在先前的文章中对于激子有过更加形象具体的介绍)。

  Silva表示:“激子中的正负吸引称为结合能,这是一种非常高能的现象,对发光很有利。”

  当电子与空穴再次结合时,结合能就会被释放出来,从而产生光线。但是,通常来说,激子在半导体中非常难以得到保持。

  Silva 表示:“传统半导体中的激子属性,只有在极冷的温度条件下,才是稳定的。但是在HOIP 中,激子属性在室温条件下就非常稳定。”

  激子从它们的原子中释放出来,并在材料中到处自由运动。此外,HOIP 中的激子能够绕着其他激子旋转,形成了一种准粒子,它称为“双激子”。然而,其中形成的准粒子不仅仅是双激子。

  在材料晶格中,激子也会绕着原子旋转。如同电子与空穴形成激子,这种激子绕着原子核旋转,产生了另外一种准粒子,它称为“极化子”。所有这些作用会导致激子变回“极化子”。甚至可以说,某些激子呈现出“极化子”的微妙变化。

  所有这些动态变化组合成了一个事实:HOPI 充满了阳离子与阴离子。这些量子舞蹈的华丽之处在于,它们对材料本身产生的总体效应。

  材料的原子,非同寻常地参与到电子、激子、双激子、极化子的舞蹈中,在材料中创造出重复的纳米缺口,它能以波形图案的形式被观察到,而且会随着添加到材料中的能量变化而产生移动和变化。威廉希尔官网

  Silva 表示:“在基态中,这些波形图案看上去像一种特定的样子,但是加添能量之后,激子的表现发生变化。这样就改变了波形,我们测量到了这一点。这项研究中的关键观测是,波形随着不同类型的激子(激子、双激子、极化子/较少的极化子)而变化。”

  这些缺口也抓住了激子,使之在材料中的运动变慢。所有这些华丽的动态变化都将影响发光质量。

  这种材料“卤化物有机-无机钙钛矿”,是一种三明治结构。这种三明治结构中具有两个无机晶格层,中间夹着一些有机材料,使HOIP 成为一种有机无机杂化材料。量子作用就发生在这些晶格中。

  中间的有机层就像一根橡皮筋,使晶格变成一个摇晃但却稳定的舞池。同时,HOIP 也与许多非共价键结合在一起,使得材料变得柔软。

  单个晶体单元采用了一种所谓“钙钛矿”的形式,它是一种非常均匀的菱形结构,金属原子位于中心,氯或碘之类的卤素原子位于顶点,因此它是“卤化物”。这项研究中,研究人员们采用了分子式为“(PEA)2PbI4”的二维原型。

  下图所示:HOIP(卤化物有机-无机钙钛矿)的描绘。菱形的是钙钛矿,这种晶体层为量子粒子的运动提供场所。中间是有机层,它主要为HOIP 贡献整体的柔性,柔性是这种新一代半导体的主要标志。

  HOIP 不仅具有令人值得期待的发光与能量效率之外,而且也便于制造与应用。上述的新见解,将帮助工程师们对这种新一类的半导体展开更加富有成效的研究。

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