科学家发现了阻碍使量子点更亮的过程 对光基技术的未来意义重大

 称为量子点的明亮半导体纳米晶体为QLED电视屏幕提供了鲜艳的色彩。但是尝试增加光的强度却会产生热量，从而降低了点的发光效率。


一项新的研究解释了原因，并且其结果对开发未来的量子和光子技术具有广泛的意义，例如，光可以代替计算机中的电子和冰箱中的流体。



SLAC和斯坦福大学的研究人员首次进行了原子级的观察，即当被强光激发时，被称为量子点的纳米晶体如何失去其发光效率。点被绿光（顶部）或高能紫色光（底部）激发，科学家们看着它们用“电子照相机” MeV-UED做出反应。当受到绿光照射时，这些点会放松，激发的电子和空穴对几乎将所有传入的能量转换为光。但是当被紫光照射时，一些能量被困在点的表面上。这扭曲了周围原子的排列，并浪费了热量作为热能。这些结果对开发未来的量子和光子技术具有广泛的意义，在这种技术中，光可以代替计算机中的电子和冰箱中的流体。


在QLED电视屏幕中，点吸收蓝光并将其变成绿色或红色。在电视屏幕运行的低能耗情况下，这种从一种颜色到另一种颜色的光转换实际上具有100％的效率。但是，在更亮的屏幕和其他技术需要更高的激发能量的情况下，效率会急剧下降。研究人员对为什么会发生这种现象有一些理论，但是到目前为止，还没有人在原子尺度上观察到这种现象。


为了找到更多信息，能源部SLAC国家加速器实验室的科学家使用了高速“电子照相机”来观察点，将入射的高能激光转换成自己的发光光。



实验表明，入射的高能激光会从点的原子中发射出电子，并且它们相应的空穴（带有自由移动的带正电荷的空点）会被束缚在点的表面，从而产生不必要的废热。


另外，电子和空穴以释放更多热能的方式复合。这会增加点原子的抖动，使其晶体结构变形，并浪费更多的能量，而这些能量本来可以使点变得更亮。


SLAC斯坦福大学材料与能源科学研究所的斯坦福大学副教授兼研究人员Aaron Lindenberg说，这代表了从系统中吸收能量而不产生光的一种关键方法。


他说，几十年来，试图弄清这个过程的基础是研究的主题。这是我们第一次看到原子在激发态能量作为热而损失时实际上在做什么。


该研究小组的成员包括来自SLAC、斯坦福大学、加利福尼亚大学伯克利分校和美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的科学家，他们在《自然通讯》上描述了这些结果。


发出纯净又灿烂的光芒


尽管它们的尺寸很小-它们的直径与四链DNA的直径大致相同-量子点纳米晶体出奇的复杂和高度工程化。它们发出非常纯净的光，其颜色可以通过调整其大小、形状、组成和表面化学性质进行调整。这项研究中使用的量子点是二十多年前发明的，如今，它们被广泛用于明亮，节能的显示器以及生物学和医学成像工具中。


Guzelturk说，了解和解决阻碍在高能量下使点更高效的问题是当前研究的热点。Guzelturk在SLAC与博士后研究员Ben Cotts进行了实验。


先前的研究集中于点的电子行为。但是在这项研究中，该团队也能够使用称为MeV-UED的电子摄像机看到整个原子的运动。它以极高能量的短脉冲电子撞击样品，以百万电子伏特（MeV）计量。在称为超快电子衍射（UED）的过程中，电子从样品中散射出来并进入检测器，从而形成揭示电子和原子在做什么的图形。


当SLAC /斯坦福大学的团队测量受到各种波长和激光强度撞击的量子点的行为时，加州大学伯克利分校的研究生Dipti Jasrasaria和John Philbin与伯克利理论化学家Eran Rabani一起计算和理解了电子相互作用的结果从理论的角度来看原子运动。


拉巴尼说，我们经常与实验者见面。他们遇到了一个问题，我们开始共同努力来理解它。这是在能够测量量子点原子发生什么变化方面的重大突破。强烈兴奋时晶格会变大。


光基技术的未来


这项研究是由美国能源部能源前沿研究中心的研究人员在热力学极限的光子学领域进行的，该中心由斯坦福大学材料科学与工程学副教授，研究平台/共享设施的高级副教务长詹妮弗·迪昂（Jennifer Dionne）领导。她的研究小组与Lindenberg小组合作，帮助开发了探测纳米晶体的实验技术。


Dionne说，该中心的最终目标是在热力学允许的范围内演示光子过程，例如光吸收和发射。这可能带来制冷、加热、冷却和能量存储等技术，以及量子计算机和用于太空探索的新型发动机，这些技术完全由光驱动。


Dionne说，要创建光子热力学循环，您需要精确地控制光、热、原子和电子在材料中的相互作用方式。这项工作令人兴奋，因为它为电子和热工艺提供了前所未有的镜头，从而限制了发光效率。所研究的粒子已经具有创纪录的量子产率，但是现在有一条通往设计几乎完美的光学材料的道路。 如此高的发光效率可能会开启大量的未来应用，所有这些都是由用超快电子探测的微小点驱动的。