Nature子刊：研究發現新型納米晶體玻璃系統，可顯著提高光電子學的效率

用於太陽能電池或光電化學電池的新型半導體人造材料，這些材料是重新開始設計的具有全新定製特性：這是Max Planck（德國馬克斯?普朗克學會）研究所Stefan Wippermann和他的團隊對「原子模型」的最新研究課題。他們首次將原子解析度描述為典型的材料系統，並能夠設定設計原則。

他們工作時發現了一類新的納米晶體玻璃系統，這個系統可以提高光電子學的效率，如光伏和光誘導水分解。Max Planck的研究人員在Nature Nanotechnology雜誌上發表了他們的最新發現。

圖像中的發光原子顯示了具有原子解析度的納米晶體，包括其界面化學。（圖像：Peter Allen）

納米晶體可以被稱為「人造原子」而作為電子應用和太陽能轉換創造設計材料，因為它們是可控的、無毒且大量存在於地球。與芝加哥大學的Dmitri Talapin和Giulia Galli的小組合作，使用濕化學技術合成這些納米晶體並組裝成半導體納米複合材料。

「設計納米晶體的一個巨大優勢是我們能夠選擇它們的特性」，Wippermann解釋說。 「當我們開發自己的「原子」時，我們不再依賴於元素的化學性質，而是能夠通過納米結構設計具有目標性質的材料。」

這意味著研究人員可以棄用有毒或稀有元素。即使他們目前的模型系統仍然使用有毒元素，但將納米晶體嵌入固體基質中，使納米晶體不擴散到空氣中。

「當前的關鍵挑戰不是納米晶體本身的生產，而是對界面化學和缺陷的理解和控制，因為它們的表面和界面大小只有幾納米，並埋藏在材料中」，Wippermann說。

他和他的團隊生產並分析了用硫代錫酸鹽（Sn2S64-）配體作為原型納米複合材料覆蓋的砷化銦納米顆粒固體中的內埋界面，並在納米複合材料的合成過程中使用配體。在理論和實驗技術的幫助下，他們發現配體不是作為完整單元吸附，而是在與納米晶表面接觸時分解，在納米晶體周圍形成無定形基質。

確切地說，該基質影響納米晶體固體的電子傳輸，因為分解的配體在納米晶體表面上形成鈍化層，並且僅在該層的頂部上完整的配體可以吸附。

砷化銦納米晶體嵌入非晶態SnS3中。洋紅色、紫色、綠色和黃色管分別表示銦、砷、錫和硫原子。（圖片來源：Stefan Wippermann）

另一種鈍化機制是將硫結合到地下層中。砷反過來擴散到基質中，導致形成特徵缺陷。這些缺陷解釋了觀察到的正負光電導率之間的轉換。模擬顯示砷化銦納米晶體從基質中吸取硫，導致在納米晶體周圍形成硫殼。

硫還影響納米複合材料中缺陷的數量和特性：高硫含量減少了納米複合材料中懸空鍵缺陷的數量，並導致形成作為納米晶體之間的空穴傳導互連的硫鏈。

Max Planck的科學家們表明，基於納米晶體的固體的性質受納米晶體的尺寸，形狀，組成，表面化學和相互作用的影響。納米晶體內電荷載流子的強量子限制能夠實現有效的載流子倍增，其中單個高能光子產生多個電子 - 空穴對，這有助於導電性。

這樣可以使光電子效率更高。用分子金屬硫屬元素化物配合物封端的納米晶體具有特別高的電子遷移率，這可以快速提取光生電荷。科學家們建立了表徵無機納米複合材料和玻璃系統中更普遍的納米粒子埋入界面的方法。

該方法將有助於設計量身定製的納米材料。研究人員現在建議將所提出的策略應用於技術相關的半導體納米複合材料和納米顆粒玻璃系統。

文章來源於nanowerk網站，由材料新聞在線團隊編譯，原文題目：Designing nanocrystals for more efficient optoelectronics

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！