油漆半导体的辉煌光芒来自华丽的量子物理学

LED灯和显示器以及高质量的太阳能电池板诞生于半导体领域的革命，有效地将能量转换为光能，反之亦然。现在，下一代半导体材料即将出现，在一项新的研究中，研究人员已经发现了古怪的物理学背后他们再次转变照明技术和光伏发电的潜力。

将这些新兴的所谓混合半导体的量子特性与其已有的前辈的量子特性进行比较，就像将Bolshoi Ballet与跳跃式千斤顶进行比较一样。根据乔治亚理工学院研究人员领导的一组物理化学家的说法，量子粒子的旋转团体在新兴材料中波动，轻松地创造出非常理想的光电(光电子)特性。

在已建立的半导体中实现这些相同的特性是不切实际的。

穿过这些新材料的粒子也会在量子动作中与材料本身接触，类似于诱使地板与它们共舞的舞者。研究人员能够测量由舞蹈引起的材料模式，并将它们与新兴材料的量子特性和引入材料的能量联系起来。

这些见解可以帮助工程师有效地利用新一代半导体。

异常灵活的半导体

新兴材料能够容纳多样化，偏心的量子粒子运动，类似于舞者，与其在分子水平上的不同寻常的灵活性直接相关，类似于舞蹈中的舞池。相比之下，已建立的半导体具有刚性的，直线的分子结构，使得跳舞成为量子粒子。

研究人员研究的混合半导体类别称为卤化物有机 - 无机钙钛矿(HOIP)，将在底部更详细地解释“混合”半导体名称，其结合了半导体中常见的晶格 - 一层创新的柔性材料。

除了他们独特的光芒和能源效率的承诺，HOIPs易于生产和应用。

涂上它们

乔治亚理工学院化学与生物化学学院教授卡洛斯席尔瓦说：“一个令人信服的优势是，HOIPs是用低温制造的，并在溶液中加工。” “制造它们需要更少的能量，你可以大批量生产。” 席尔瓦与乔治亚理工学院的Ajay Ram Srimath Kandada和Istituto Italiano di Tecnologia共同领导了这项研究。

制造大多数半导体需要高温，并且它们很难应用于表面，但HOIP可以涂上LED，激光甚至窗玻璃，可以发出任何颜色，从海蓝宝石到紫红色。采用HOIP照明可能需要的能源非常少，太阳能电池板制造商可以提高光伏发电的效率并降低生产成本。

佐治亚理工学院领导的团队包括来自比利时UniversitédeMons和Istituto Italiano di Tecnologia的研究人员。结果发表于2019年1月14日的“ 自然材料 ”杂志。这项工作由美国国家科学基金会，欧盟地平线2020，加拿大自然科学和工程研究委员会，FondQuébécoispourla Recherche和比利时联邦科学政策办公室资助。

量子跳跃千斤顶

光电器件中的半导体可以将光转换为电或电转换为光。研究人员专注于与后者相关的过程：光发射。

从广义上讲，让材料发光的技巧是将能量施加到材料中的电子上，这样它们就可以从原子周围的轨道上跳起来，然后当它们跳回到轨道时，将这些能量作为光发射出去。他们已经腾空了。已建立的半导体可以在材料区域内捕获电子，严格限制电子的运动范围，然后向这些区域施加能量，使电子齐声跳跃，以便在它们一致跳下时发出有用的光。

“这些是量子阱，这些材料的二维部分限制了这些量子特性以产生这些特殊的发光特性，”席尔瓦说。

想象中的粒子兴奋

有一种潜在的更具吸引力的光产生方式，它是新型混合半导体的核心优势。

电子具有负电荷，并且在被能量激发后空出的轨道是称为电子空穴的正电荷。电子和空穴可以相互旋转形成一种假想的粒子，或者称为激子的准粒子。

“激子中的正负吸引力被称为结合能，它是一种非常高能的现象，这使得发光效果非常好，”席尔瓦说。

当电子和空穴重新团聚时，释放出结合能产生光。但通常，激子很难在半导体中维持。

“传统半导体的激子特性仅在极冷的温度下才能保持稳定，”席尔瓦说。“但在HOIPs中，激子特性在室温下非常稳定。”

旋转的华丽quasiparticle

激子从原子中释放出来并在材料周围移动。此外，HOIP中的激子可以围绕其他激子旋转，形成称为双激子的准粒子。而且还有更多。

激子也围绕材料晶格中的原子旋转。电子和电子空穴产生激子的方式很多，围绕原子核的激子旋转产生另一个称为极化子的准粒子。所有这些动作都可能导致激子转变为极化子。人们甚至可以谈论一些具有“极地”细微差别的激子。

使所有这些动力学复合的事实是HOIP充满带正电荷和负电荷的离子。这些量子舞的华丽对材料本身产生了重要影响。

波浪模式产生共鸣

材料原子在电子，激子，双激子和极化子的这些舞蹈中的罕见参与在材料中产生重复的纳米级压痕，其可以作为波形图案观察到并且随着添加到材料中的能量的量而移动和通量。

“在基态，这些波浪模式看起来会有某种方式，但是在增加能量的情况下，激子会以不同的方式做事。这会改变波形，这就是我们测量的，”席尔瓦说。“该研究的关键观察结果是，波动模式随着不同类型的激子(激子，激子，极化/极性较小)而变化。”

压痕也会夹住激子，减缓它们在材料中的移动性，所有这些华丽的动态都可能影响光的发射质量。

橡皮筋三明治

该材料是卤化物有机 - 无机钙钛矿，是两个无机晶格层的夹层，它们之间有一些有机材料 - 使HOIP成为有机 - 无机杂化材料。量子作用发生在晶格中。

中间的有机层就像一片橡皮筋，使晶格成为一个摇摆但稳定的舞池。此外，HOIP与许多非共价键结合在一起，使材料变软。

晶体的各个单元采用称为钙钛矿的形式，这是一种非常均匀的菱形，中心有金属，点上有卤素如氯或碘，因此是“卤化物”。在这项研究中，研究人员使用了具有公式(PEA)2PbI4的2D原型。