?稱(chēng)為量子點(diǎn)的明亮半導體納米晶體為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(huì )產(chǎn)生熱量，從而降低了點(diǎn)的發(fā)光效率。


一項新的研究解釋了原因，并且其結果對開(kāi)發(fā)未來(lái)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(jìn)行了原子級的觀(guān)察，即當被強光激發(fā)時(shí)，被稱(chēng)為量子點(diǎn)的納米晶體如何失去其發(fā)光效率。點(diǎn)被綠光（頂部）或高能紫色光（底部）激發(fā)，科學(xué)家們看著(zhù)它們用“電子照相機” MeV-UED做出反應。當受到綠光照射時(shí)，這些點(diǎn)會(huì )放松，激發(fā)的電子和空穴對幾乎將所有傳入的能量轉換為光。但是當被紫光照射時(shí)，一些能量被困在點(diǎn)的表面上。這扭曲了周?chē)拥呐帕?，并浪費了熱量作為熱能。這些結果對開(kāi)發(fā)未來(lái)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(diǎn)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換實(shí)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(huì )急劇下降。研究人員對為什么會(huì )發(fā)生這種現象有一些理論，但是到目前為止，還沒(méi)有人在原子尺度上觀(guān)察到這種現象。


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



實(shí)驗表明，入射的高能激光會(huì )從點(diǎn)的原子中發(fā)射出電子，并且它們相應的空穴（帶有自由移動(dòng)的帶正電荷的空點(diǎn)）會(huì )被束縛在點(diǎn)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合。這會(huì )增加點(diǎn)原子的抖動(dòng)，使其晶體結構變形，并浪費更多的能量，而這些能量本來(lái)可以使點(diǎn)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(shuō)，這代表了從系統中吸收能量而不產(chǎn)生光的一種關(guān)鍵方法。


他說(shuō)，幾十年來(lái)，試圖弄清這個(gè)過(guò)程的基礎是研究的主題。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(shí)實(shí)際上在做什么。


該研究小組的成員包括來(lái)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(shí)驗室的科學(xué)家，他們在《自然通訊》上描述了這些結果。


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(diǎn)納米晶體出奇的復雜和高度工程化。它們發(fā)出非常純凈的光，其顏色可以通過(guò)調整其大小、形狀、組成和表面化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行調整。這項研究中使用的量子點(diǎn)是二十多年前發(fā)明的，如今，它們被廣泛用于明亮，節能的顯示器以及生物學(xué)和醫學(xué)成像工具中。


Guzelturk說(shuō)，了解和解決阻礙在高能量下使點(diǎn)更高效的問(wèn)題是當前研究的熱點(diǎn)。Guzelturk在SLAC與博士后研究員Ben Cotts進(jìn)行了實(shí)驗。


先前的研究集中于點(diǎn)的電子行為。但是在這項研究中，該團隊也能夠使用稱(chēng)為MeV-UED的電子攝像機看到整個(gè)原子的運動(dòng)。它以極高能量的短脈沖電子撞擊樣品，以百萬(wàn)電子伏特（MeV）計量。在稱(chēng)為超快電子衍射（UED）的過(guò)程中，電子從樣品中散射出來(lái)并進(jìn)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(cháng)和激光強度撞擊的量子點(diǎn)的行為時(shí)，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果從理論的角度來(lái)看原子運動(dòng)。


拉巴尼說(shuō)，我們經(jīng)常與實(shí)驗者見(jiàn)面。他們遇到了一個(gè)問(wèn)題，我們開(kāi)始共同努力來(lái)理解它。這是在能夠測量量子點(diǎn)原子發(fā)生什么變化方面的重大突破。強烈興奮時(shí)晶格會(huì )變大。


光基技術(shù)的未來(lái)


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(jìn)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/共享設施的高級副教務(wù)長(cháng)詹妮弗·迪昂（Jennifer Dionne）領(lǐng)導。她的研究小組與Lindenberg小組合作，幫助開(kāi)發(fā)了探測納米晶體的實(shí)驗技術(shù)。


Dionne說(shuō)，該中心的最終目標是在熱力學(xué)允許的范圍內演示光子過(guò)程，例如光吸收和發(fā)射。這可能帶來(lái)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(dòng)機，這些技術(shù)完全由光驅動(dòng)。


Dionne說(shuō)，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，但是現在有一條通往設計幾乎完美的光學(xué)材料的道路。 如此高的發(fā)光效率可能會(huì )開(kāi)啟大量的未來(lái)應用，所有這些都是由用超快電子探測的微小點(diǎn)驅動(dòng)的。

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