微小的，易于生產(chǎn)的顆粒，稱(chēng)為量子點(diǎn)，可能很快就會(huì )取代太陽(yáng)能電池板，相機傳感器和醫學(xué)成像工具中的先進(jìn)電子設備中更昂貴的單晶半導體。雖然量子點(diǎn)已經(jīng)開(kāi)始打入消費市場(chǎng) - 以量子點(diǎn)電視的形式 - 但它們的質(zhì)量長(cháng)期存在不確定性?，F在，斯坦福大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)的一種新的測量技術(shù)可能最終消除這些疑慮。
“傳統半導體是單晶，在特殊條件下真空生長(cháng)。這些我們可以在燒瓶中，在實(shí)驗室中大量生產(chǎn)，我們已經(jīng)證明它們和最好的單晶一樣好，“斯坦福大學(xué)化學(xué)系研究生兼該論文的共同主要作者David Hanifi說(shuō)。這項工作， 發(fā)表 在 科學(xué)。
研究人員專(zhuān)注于量子點(diǎn)如何有效地重新發(fā)射它們吸收的光，這是半導體質(zhì)量的一個(gè)標志性衡量指標。雖然之前嘗試計算量子點(diǎn)效率暗示了高性能，但這是第一種可靠地表明它們可以與單晶競爭的測量方法。
這項工作是斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程教授A(yíng)lberto Salleo實(shí)驗室與加州大學(xué)伯克利分校三星納米科學(xué)與納米技術(shù)杰出教授Paul Alivisatos 合作的結果 ，他是量子的先驅。 dot研究和該論文的共同高級作者。Alivisatos強調了測量技術(shù)如何能夠開(kāi)發(fā)出需要深入了解半導體效率的新技術(shù)和新材料。
“這些材料非常有效，現有的測量結果無(wú)法量化它們的優(yōu)質(zhì)程度。這是一次巨大的飛躍，“Alivisatos說(shuō)。“有朝一日，有些應用可能需要發(fā)光效率遠高于99%的材料，其中大部分尚未發(fā)明。”
99到100之間
能夠放棄對昂貴的制造設備的需求并不是量子點(diǎn)的唯一優(yōu)勢。甚至在這項工作之前，有跡象表明量子點(diǎn)可以接近或超過(guò)一些最好的晶體的性能。它們也是高度可定制的。改變它們的大小會(huì )改變它們發(fā)出的光的波長(cháng)，這是基于顏色的應用的有用特征，例如標記生物樣本，電視或計算機監視器。
盡管有這些積極的品質(zhì)，量子點(diǎn)的小尺寸意味著(zhù)它可能需要數十億的才能完成一個(gè)大而完美的單晶的工作。制造如此多的量子點(diǎn)意味著(zhù)更多的機會(huì )不正確地增長(cháng)，更多的機會(huì )可能會(huì )妨礙性能。測量其他半導體質(zhì)量的技術(shù)以前曾建議量子點(diǎn)發(fā)出超過(guò)99%的光吸收，但這還不足以回答有關(guān)其潛在缺陷的問(wèn)題。為此，研究人員需要一種更適合精確評估這些粒子的測量技術(shù)。
“我們希望測量的發(fā)射效率在99.9%到99.999%之間，因為如果半導體能夠重新發(fā)射它們所吸收的每個(gè)光子，那么你就可以做真正有趣的科學(xué)并制造以前不存在的設備，”Hanifi說(shuō)。
研究人員的技術(shù)包括檢查通電量子點(diǎn)產(chǎn)生的多余熱量，而不僅僅是評估光發(fā)射，因為過(guò)熱是低效發(fā)射的標志。這種通常用于其他材料的技術(shù)從未用于以這種方式測量量子點(diǎn)，它的精確度是過(guò)去其他材料的100倍。他們發(fā)現，量子點(diǎn)組可靠地發(fā)射了它們吸收的光的99.6%(在任一方向上的潛在誤差為0.2%)，這與最佳的單晶發(fā)射相當。
“令人驚訝的是，一部具有許多潛在缺陷的電影與你能制作的最完美的半導體一樣出色，”該論文的共同高級作者薩萊說(shuō)。
與擔憂(yōu)相反，結果表明量子點(diǎn)具有驚人的耐缺陷性。測量技術(shù)也是第一個(gè)牢固地解決不同量子點(diǎn)結構如何相互比較的方法 - 具有精確八個(gè)原子層的特殊涂層材料的量子點(diǎn)發(fā)光最快，這是卓越品質(zhì)的指標。Alivisatos說(shuō)，這些圓點(diǎn)的形狀應該指導新發(fā)光材料的設計。
完全新技術(shù)
該研究是能源部資助的能源前沿研究中心內一系列項目的一部分，稱(chēng)為 熱力學(xué)極限光子學(xué)。在斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程副教授Jennifer Dionne的帶領(lǐng)下 ，該中心的目標是創(chuàng )造光學(xué)材料 - 影響光流的材料 - 以最高的效率。
該項目的下一步是開(kāi)發(fā)更精確的測量。如果研究人員能夠確定這些材料的效率達到或超過(guò)99.999%，那么這就開(kāi)辟了我們以前從未見(jiàn)過(guò)的技術(shù)的可能性。這些可能包括新的發(fā)光染料，以提高我們在原子尺度上觀(guān)察生物學(xué)的能力，發(fā)光冷卻和發(fā)光太陽(yáng)能聚光器，它允許相對較小的一組太陽(yáng)能電池從大面積的太陽(yáng)輻射中獲取能量。所有這些都說(shuō)明了，他們已經(jīng)建立的測量結果是他們自己的里程碑，可能會(huì )促使量子點(diǎn)研究和應用更加直接。
“使用這些量子點(diǎn)材料的人們已經(jīng)想到十多年來(lái)，點(diǎn)可以像單晶材料一樣高效，”Hanifi說(shuō)，“現在我們終于有了證據。”
