Forskere opdager en ny måde at splitte og summe fotoner med silicium

Et team af forskere ved The University of Texas i Austin og University of California, Riverside har fundet en måde at producere et fænomen med en lang hypotese-overførsel af energi mellem silicium og organisk, kulstofbaserede molekyler-i et gennembrud, der har konsekvenser for informationslagring i kvanteberegning, konvertering af solenergi og medicinsk billeddannelse. Forskningen er beskrevet i et papir ud i dag i tidsskriftet Naturkemi .

Silicium er et af planetens mest rigelige materialer og en kritisk komponent i alt fra de halvledere, der driver vores computere til cellerne, der bruges i næsten alle solenergipaneler. For alle dens evner, imidlertid, silicium har nogle problemer, når det kommer til at konvertere lys til elektricitet. Forskellige lysfarver består af fotoner, partikler, der bærer lysets energi. Silicium kan effektivt omdanne røde fotoner til elektricitet, men med blå fotoner, som bærer dobbelt så meget energi som røde fotoner, silicium mister det meste af deres energi som varme.

Den nye opdagelse giver forskere en måde at øge siliciums effektivitet ved at parre det med et kulstofbaseret materiale, der omdanner blå fotoner til par røde fotoner, der mere effektivt kan bruges af silicium. Dette hybridmateriale kan også finjusteres til at fungere omvendt, optager rødt lys og konverterer det til blåt lys, som har konsekvenser for medicinske behandlinger og kvanteberegning.

"Det organiske molekyle, vi har parret silicium med, er en type kulaske, der kaldes antracen. Det er dybest set sod, "sagde Sean Roberts, en UT Austin assisterende professor i kemi. Papiret beskriver en metode til kemisk tilslutning af silicium til antracen, skaber en molekylær kraftledning, der tillader energi at overføre mellem silicium og aske-lignende stof. "Vi kan nu finjustere dette materiale til at reagere på forskellige bølgelængder af lys. Forestil dig, til kvanteberegning, at kunne finjustere og optimere et materiale til at gøre en blå foton til to røde fotoner eller to røde fotoner til en blå. Det er perfekt til opbevaring af oplysninger. "

I fire årtier har forskere har antaget, at parring af silicium med en type organisk materiale, der bedre absorberer blåt og grønt lys effektivt, kunne være nøglen til at forbedre siliciums evne til at omdanne lys til elektricitet. Men blot lagdeling af de to materialer medførte aldrig den forventede "spin-triplet exciton-overførsel, "en bestemt type energioverførsel fra det kulstofbaserede materiale til silicium, nødvendig for at realisere dette mål. Roberts og materialeforskere ved UC Riverside beskriver, hvordan de brød igennem dødvandet med bittesmå kemiske ledninger, der forbinder silicium -nanokrystaller med antracen, producere den forudsagte energioverførsel mellem dem for første gang.

"Udfordringen har været at få par ophidsede elektroner ud af disse organiske materialer og ind i silicium. Det kan ikke gøres bare ved at deponere den ene oven på den anden, "Roberts sagde." Det kræver opbygning af en ny type kemisk grænseflade mellem silicium og dette materiale, så de kan kommunikere elektronisk. "

Roberts og hans kandidatstuderende Emily Raulerson målte effekten i et specialdesignet molekyle, der fastgøres til en silicium -nanokrystal, innovationen af ​​samarbejdspartnere Ming Lee Tang, Lorenzo Mangolini og Pan Xia fra UC Riverside. Ved hjælp af en ultrahurtig laser, Roberts og Raulerson fandt ud af, at den nye molekyltråd mellem de to materialer ikke kun var hurtig, modstandsdygtig og effektiv, det kunne effektivt overføre omkring 90% af energien fra nanokrystal til molekylet.

"Vi kan bruge denne kemi til at skabe materialer, der absorberer og udsender enhver farve af lys, "sagde Raulerson, hvem siger det, med yderligere finjustering, lignende silicium -nanokrystaller bundet til et molekyle kunne generere en række anvendelser, fra batteriløse nattsynsbriller til ny miniaturelektronik.

Andre meget effektive processer af denne art, kaldet fotonkonvertering, tidligere stolet på giftige materialer. Da den nye tilgang udelukkende anvender ikke -giftige materialer, det åbner døren for applikationer inden for humanmedicin, bioimaging og miljømæssigt bæredygtige teknologier, noget, som Roberts og andre UT Austin -kemiker Michael Rose arbejder på.

På UC Riverside, Tangs laboratorium var banebrydende for, hvordan de organiske molekyler kan fastgøres til siliciumnanopartiklerne, og Mangolinis gruppe konstruerede silicium -nanokrystaller.

"Nyheden er virkelig, hvordan man får de to dele af denne struktur - de organiske molekyler og de kvantebegrænsede silicium -nanokrystaller - til at arbejde sammen, sagde Mangolini, lektor i maskinteknik. "Vi er den første gruppe, der virkelig satte de to sammen."