Квантовые точки — это микроскопические полупроводниковые кристаллы, разработанные в лаборатории. Они обладают многими свойствами атомов, включая способность поглощать или излучать свет. Технология их использования развивается исследователями из Лос-Аламосской национальной лаборатории почти три десятилетия. Благодаря умножению носителей заряда, при котором один поглощённый фотон генерирует две электронно-дырочные пары, называемые экситонами, квантовые точки обладают уникальной способностью более эффективно преобразовывать фотоны в энергию.
Виктор Климов, руководитель группы в лаборатории, говорит: «Наша работа демонстрирует, как чисто квантово-механические взаимодействия спин-обмена можно использовать для повышения эффективности устройств фотопреобразования или фотохимических реакций». Это не только углубляет наше фундаментальное понимание квантово-механических явлений, но и вводит новую парадигму для разработки современных материалов, применяемых в энергетике.
В последнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, учёные из Лос-Аламоса улучшили эту способность, внедрив в квантовые точки магнитные марганцевые примеси. Этот новый подход к высокоэффективному умножению носителей заряда использует ультрабыстрые спин-обменные взаимодействия, опосредованные ионами марганца, для захвата энергии энергичных (горячих) носителей, генерируемых падающими фотонами, и преобразования её в дополнительные экситоны.
Джунгчул Нох, постдок в команде Климова и ведущий химик проекта, воодушевлён потенциальным влиянием этого открытия. «Способность повышать выход носителей заряда за счёт спин-обменного умножения носителей имеет далеко идущие последствия для широкого спектра технологий фотопреобразования — от солнечной электроэнергии и высокоскоростных фотодетекторов до светоуправляемого химического синтеза», — говорит Нох.
В отличие от традиционного умножения носителей заряда, основанного на ударной ионизации, спин-обменное умножение носителей использует ультрабыструю двунаправленную передачу энергии между марганцевыми легирующими добавками и внутренними состояниями квантовых точек. Этот процесс значительно увеличивает вероятность генерации нескольких электронно-дырочных пар при поглощении одного фотона, что приводит к повышению эффективности фотопреобразования.
Учёные из Лос-Аламоса проверили эффективность этого процесса с помощью оптической спектроскопии и, в частности, измерений фототока в реальных фотопроводящих устройствах, продемонстрировав потенциал их практического применения.
Годы исследований показали, что традиционное умножение носителей заряда ограничено быстрым охлаждением горячих носителей за счёт излучения фононов, которое конкурирует с ударной ионизацией — основным механизмом, управляющим традиционным умножением носителей заряда.
Исследовательская группа обошла это ограничение, внедрив марганцевые легирующие добавки в квантовые точки с сердцевиной и оболочкой, которые имеют перевёрнутую зонную структуру, где материал оболочки имеет меньшую ширину запрещённой зоны, чем ядро. Такая уникальная конструкция способствует эффективной локализации электронов и дырок в оболочке, оптимизируя извлечение носителей для энергетических приложений.
Ключевой прорыв заключается во взаимодействии спин-обмена в этих легированных марганцем квантовых точках, которое позволяет:
* Значительно повысить эффективность преобразования солнечной энергии.
* Улучшить работу фотодетекторов.
* Оптимизировать фотокатализ.
Это исследование знаменует собой важный шаг на пути к разработке энергетических технологий нового поколения на основе квантовых технологий.
Для оценки практической применимости этой технологии исследователи протестировали квантовые точки в фотопроводящих устройствах. Эти устройства продемонстрировали резкое увеличение генерации фототока непосредственно выше порога спин-обменного умножения носителей, определяемого энергией спин-флип-перехода иона марганца. Это подтверждает, что увеличение выхода носителей напрямую приводит к повышению производительности устройства.
Моделирование эффективности преобразования энергии из исследования предсказывает, что этот метод может обеспечить увеличение эффективности до 41%, что приближается к теоретическому пределу для полностью оптимизированных устройств, использующих традиционное умножение носителей заряда.
Кроме того, эта технология может сыграть решающую роль в фотохимических превращениях, особенно тех, которые требуют многократных этапов восстановления и окисления — например, в энергоёмких процессах, таких как производство аммиака путём фиксации азота, которое в настоящее время потребляет более 2% мировой энергии.
Предоставлено: Los Alamos National Laboratory