?稱為量子點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產生熱量，從而降低了點的發光效率。


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



SLAC和斯坦福大學的研究人員首次進行了原子級的觀察，即當被強光激發時，被稱為量子點的納米晶體如何失去其發光效率。點被綠光（頂部）或高能紫色光（底部）激發，科學家們看著它們用“電子照相機” MeV-UED做出反應。當受到綠光照射時，這些點會放松，激發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，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。這些結果對開發未來的量子和光子技術具有廣泛的意義，在這種技術中，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換實際上具有100％的效率。但是，在更亮的屏幕和其他技術需要更高的激發能量的情況下，效率會急劇下降。研究人員對為什么會發生這種現象有一些理論，但是到目前為止，還沒有人在原子尺度上觀察到這種現象。


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



實驗表明，入射的高能激光會從點的原子中發射出電子，并且它們相應的空穴（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。這會增加點原子的抖動，使其晶體結構變形，并浪費更多的能量，而這些能量本來可以使點變得更亮。


SLAC斯坦福大學材料與能源科學研究所的斯坦福大學副教授兼研究人員Aaron Lindenberg說，這代表了從系統中吸收能量而不產生光的一種關鍵方法。


他說，幾十年來，試圖弄清這個過程的基礎是研究的主題。這是我們第一次看到原子在激發態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、加利福尼亞大學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家，他們在《自然通訊》上描述了這些結果。


發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雜和高度工程化。它們發出非常純凈的光，其顏色可以通過調整其大小、形狀、組成和表面化學性質進行調整。這項研究中使用的量子點是二十多年前發明的，如今，它們被廣泛用于明亮，節能的顯示器以及生物學和醫學成像工具中。


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，加州大學伯克利分校的研究生Dipti Jasrasaria和John Philbin與伯克利理論化學家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看原子運動。


拉巴尼說，我們經常與實驗者見面。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極限的光子學領域進行的，該中心由斯坦福大學材料科學與工程學副教授，研究平臺/共享設施的高級副教務長詹妮弗·迪昂（Jennifer Dionne）領導。她的研究小組與Lindenberg小組合作，幫助開發了探測納米晶體的實驗技術。


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


Dionne說，要創建光子熱力學循環，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，從而限制了發光效率。所研究的粒子已經具有創紀錄的量子產率，但是現在有一條通往設計幾乎完美的光學材料的道路。 如此高的發光效率可能會開啟大量的未來應用，所有這些都是由用超快電子探測的微小點驅動的。

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來源：賢集網
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