美国海军研究实验室的科学家们发现了一类具有明亮基态激子的新型半导体纳米晶体，这可能会给发光器件带来革命性的变化。他们的研究，包括先进的建模和合作，已经确定了在广谱范围内发光的材料，有望在led，太阳能电池和光电探测器方面取得进展。这一突破旨在解决暗激子问题，并激发对亮激子纳米结构的进一步研究。
NRL的科学家们发现了新的半粒子具有明亮基态激子的电感纳米晶体，潜在的革命设计发光器件，解决暗激子问题。
美国海军研究实验室(NRL)的科学家们证实了一类具有明亮基态激子的新型半导体纳米晶体的鉴定。这一光电子学的重大进展最近发表在美国化学学会(ACS)期刊《ACS纳米》上。
这项开创性的理论研究可能会彻底改变高效发光设备和其他技术的发展。
一般来说，纳米晶体中能量最低的激子发射能力差，因此被称为“暗激子”。因为暗激子减缓了光的发射，所以它限制了基于纳米晶体的器件的性能，比如激光或发光二极管(led)。科学家们长期以来一直试图克服暗激子。
“我们开始寻找新的材料，其中的激子顺序是颠倒的，这样最低能量的激子是明亮的，”高级功能材料理论部门的约翰·莱昂斯博士说。“根据我们的理论模型提供的标准，我们搜索了开源数据库中的材料，确定了150多个目标。我们通过先进的第一性原理计算进一步缩小了这个名单，最终有28种候选的亮激子纳米材料。”
Michael Swift(左)，博士，美国海军研究实验室(NRL)研究物理学家;约翰·莱昂斯(中)，博士，NRL物理科学家;2024年7月25日，NRL高级科学家亚历山大·埃弗罗斯博士在华盛顿特区的材料科学与技术设施里合影。该团队使用理论和模拟来理解、改进和开发具有海军重要性的材料。图片来源:莎拉·彼得森拍摄的美国海军照片
亮激子纳米材料的候选材料
对这些材料进行更详细的建模表明，至少有四种可以在纳米晶体中产生明亮的基态激子。Lyons说:“这一发现是与苏黎世联邦理工学院(ETH)的David Norris教授和混合有机-无机半导体能源中心(choice)的Peter Sercel博士合作完成的，可以为超亮和高效发光设备、激光器和其他技术的发展铺平道路。”
Alexander Efros博士是材料科学部的资深科学家，也是该论文的资深作者，他详细阐述了这项研究的意义。“在我们的研究中，我们已经确定了几种明亮的激子材料，它们可以发出从红外线到紫外线的广谱光，”Efros说。“这种多功能性使它们在光电应用中非常有用。在如此广泛的范围内设计具有明亮激子态的纳米晶体的能力，为创造更好、更高效的led、太阳能电池和光电探测器开辟了新的途径。”
通过解决暗激子的问题，NRL的科学家们希望刺激大型纳米材料团体去研究亮激子纳米结构，这是一个已经停滞太久的领域。今天，其中三种材料正在NRL种植，作为纳米科学研究所项目“明亮纳米晶体发射体”计划的一部分，旨在最终证明实验室中的亮激子行为，并将其用于未来的海军技术。
“我们的发现展示了结合高通量计算筛选、笔和纸理论和电子结构高精度计算的力量，”迈克尔·斯威夫特博士说，“没有一种技术单独是足够的，但我们一起发现了新的超亮纳米晶体，并在未开发的材料类别中解锁了明亮激子的力量。”
先进功能材料理论研究室从事功能、结构、生物和电子材料系统的基础和应用研究。该部门开创了模拟材料和系统的新方法，包括计算和理论技术的原始发展，对现有方法的修改，以及将既定方法应用于新材料和新领域。该部分的目标是使用理论和模拟来理解、改进和开发对当前和未来海军重要的材料。
参考文献:“具有明亮基态激子的半导体纳米晶体的鉴定”，作者:Michael W. Swift, Peter C. Sercel, Alexander L. Efros, John L. Lyons和David J. Norris, 2024年7月22日，ACS Nano。DOI: 10.1021 / acsnano.4c02905
