?稱為量子點的明亮半導(dǎo)體納米晶體為QLED電視屏幕提供了鮮艷的色彩。但是嘗試增加光的強度卻會產(chǎn)生熱量，從而降低了點的發(fā)光效率。


一項新的研究解釋了原因，并且其結(jié)果對開發(fā)未來的量子和光子技術(shù)具有廣泛的意義，例如，光可以代替計算機中的電子和冰箱中的流體。



SLAC和斯坦福大學(xué)的研究人員首次進行了原子級的觀察，即當被強光激發(fā)時，被稱為量子點的納米晶體如何失去其發(fā)光效率。點被綠光（頂部）或高能紫色光（底部）激發(fā)，科學(xué)家們看著它們用“電子照相機” MeV-UED做出反應(yīng)。當受到綠光照射時，這些點會放松，激發(fā)的電子和空穴對幾乎將所有傳入的能量轉(zhuǎn)換為光。但是當被紫光照射時，一些能量被困在點的表面上。這扭曲了周圍原子的排列，并浪費了熱量作為熱能。這些結(jié)果對開發(fā)未來的量子和光子技術(shù)具有廣泛的意義，在這種技術(shù)中，光可以代替計算機中的電子和冰箱中的流體。


在QLED電視屏幕中，點吸收藍光并將其變成綠色或紅色。在電視屏幕運行的低能耗情況下，這種從一種顏色到另一種顏色的光轉(zhuǎn)換實際上具有100％的效率。但是，在更亮的屏幕和其他技術(shù)需要更高的激發(fā)能量的情況下，效率會急劇下降。研究人員對為什么會發(fā)生這種現(xiàn)象有一些理論，但是到目前為止，還沒有人在原子尺度上觀察到這種現(xiàn)象。


為了找到更多信息，能源部SLAC國家加速器實驗室的科學(xué)家使用了高速“電子照相機”來觀察點，將入射的高能激光轉(zhuǎn)換成自己的發(fā)光光。



實驗表明，入射的高能激光會從點的原子中發(fā)射出電子，并且它們相應(yīng)的空穴（帶有自由移動的帶正電荷的空點）會被束縛在點的表面，從而產(chǎn)生不必要的廢熱。


另外，電子和空穴以釋放更多熱能的方式復(fù)合。這會增加點原子的抖動，使其晶體結(jié)構(gòu)變形，并浪費更多的能量，而這些能量本來可以使點變得更亮。


SLAC斯坦福大學(xué)材料與能源科學(xué)研究所的斯坦福大學(xué)副教授兼研究人員Aaron Lindenberg說，這代表了從系統(tǒng)中吸收能量而不產(chǎn)生光的一種關(guān)鍵方法。


他說，幾十年來，試圖弄清這個過程的基礎(chǔ)是研究的主題。這是我們第一次看到原子在激發(fā)態(tài)能量作為熱而損失時實際上在做什么。


該研究小組的成員包括來自SLAC、斯坦福大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)伯克利分校和美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的科學(xué)家，他們在《自然通訊》上描述了這些結(jié)果。


發(fā)出純凈又燦爛的光芒


盡管它們的尺寸很小-它們的直徑與四鏈DNA的直徑大致相同-量子點納米晶體出奇的復(fù)雜和高度工程化。它們發(fā)出非常純凈的光，其顏色可以通過調(diào)整其大小、形狀、組成和表面化學(xué)性質(zhì)進行調(diào)整。這項研究中使用的量子點是二十多年前發(fā)明的，如今，它們被廣泛用于明亮，節(jié)能的顯示器以及生物學(xué)和醫(yī)學(xué)成像工具中。


Guzelturk說，了解和解決阻礙在高能量下使點更高效的問題是當前研究的熱點。Guzelturk在SLAC與博士后研究員Ben Cotts進行了實驗。


先前的研究集中于點的電子行為。但是在這項研究中，該團隊也能夠使用稱為MeV-UED的電子攝像機看到整個原子的運動。它以極高能量的短脈沖電子撞擊樣品，以百萬電子伏特（MeV）計量。在稱為超快電子衍射（UED）的過程中，電子從樣品中散射出來并進入檢測器，從而形成揭示電子和原子在做什么的圖形。


當SLAC /斯坦福大學(xué)的團隊測量受到各種波長和激光強度撞擊的量子點的行為時，加州大學(xué)伯克利分校的研究生Dipti Jasrasaria和John Philbin與伯克利理論化學(xué)家Eran Rabani一起計算和理解了電子相互作用的結(jié)果從理論的角度來看原子運動。


拉巴尼說，我們經(jīng)常與實驗者見面。他們遇到了一個問題，我們開始共同努力來理解它。這是在能夠測量量子點原子發(fā)生什么變化方面的重大突破。強烈興奮時晶格會變大。


光基技術(shù)的未來


這項研究是由美國能源部能源前沿研究中心的研究人員在熱力學(xué)極限的光子學(xué)領(lǐng)域進行的，該中心由斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)副教授，研究平臺/共享設(shè)施的高級副教務(wù)長詹妮弗·迪昂（Jennifer Dionne）領(lǐng)導(dǎo)。她的研究小組與Lindenberg小組合作，幫助開發(fā)了探測納米晶體的實驗技術(shù)。


Dionne說，該中心的最終目標是在熱力學(xué)允許的范圍內(nèi)演示光子過程，例如光吸收和發(fā)射。這可能帶來制冷、加熱、冷卻和能量存儲等技術(shù)，以及量子計算機和用于太空探索的新型發(fā)動機，這些技術(shù)完全由光驅(qū)動。


Dionne說，要創(chuàng)建光子熱力學(xué)循環(huán)，您需要精確地控制光、熱、原子和電子在材料中的相互作用方式。這項工作令人興奮，因為它為電子和熱工藝提供了前所未有的鏡頭，從而限制了發(fā)光效率。所研究的粒子已經(jīng)具有創(chuàng)紀錄的量子產(chǎn)率，但是現(xiàn)在有一條通往設(shè)計幾乎完美的光學(xué)材料的道路。 如此高的發(fā)光效率可能會開啟大量的未來應(yīng)用，所有這些都是由用超快電子探測的微小點驅(qū)動的。

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