日本查明半导体纳米颗粒光吸收效率的提高机制

新技术 2018年09月11日
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日本京都大学化学研究所的研发小组发现,直径数纳米的半导体纳米颗粒在吸收光的过程中,同时形成多种量子力学状态能提高光吸收的效率。

半导体纳米颗粒也被称为量子点,一直作为显示器的发光材料使用。另外,目前还在积极推进将其用做光伏电池和光检测器的光吸收材料的研究。在此前的研究中科学家已经确认,光吸收过程中纳米颗粒内产生的电子和空穴(电子流失产生的空位)的数量,由吸收的光子(光的最小单位)的数量决定,但一直不清楚这一过程中决定吸收效率的机制。

此次,研发小组为了准确测量纳米颗粒的光吸收过程,利用2束激光脉冲进行了实验。首先利用第1束脉冲光控制吸收的光子的数量和纳米颗粒内生成的电子及空穴的数量,接下来利用第2束脉冲光,根据最初生成的电子和空穴的数量精确测量吸收效率。实验结果确认,与逐个形成激子(由电子和空穴构成的状态)的情况相比,同时形成多个激子时,其生成效率更高。

此外还发现,量子力学的性质“相干性”对光吸收过程中提高生成效率至关重要,生成的激子数量决定吸收效率。利用此次的研究成果,可能发现基于能同时高效率生成大量激子这一性质的新的光电转换现象。

由于纳米颗粒可通过改变尺寸来控制吸收波长,因此作为光伏电池和光检测器的光吸收材料备受关注。本次研究对光吸收机制的基本理解,有助于提高光伏电池和光检测器的效率。

相关论文于2018年8月9日发表在英国科学杂志《自然通讯》(Nature Communications)的在线版。

形成多种量子力学状态能提高光吸收的效率

图:研究发现,在半导体纳米颗粒吸收光的过程中,与逐个吸收相比,同时吸收的方式可大幅提高效率。

文 客观日本编辑部

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