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    研究人员测量出低成本半导体近乎完美的性能
    2019-03-20

        [据phys.org 2019年3月15日报道]被称为“量子点”的微小、易生产粒子,可能很快就会取代较为昂贵的单晶半导体,应用于太阳能电池板、相机传感器和医学成像工具中的先进电子器件。尽管量子点已经开始以量子点电视的形式进入消费市场,但长期以来,由于量子点电视质量存在不确定性,其发展一直受到阻碍。近日,斯坦福大学的研究人员开发的一种新测量技术可能最终会消除这些疑虑。


        “传统半导体是单晶,在真空中、特定条件下生长。我们可以在实验室里通过化学实验大量制造“量子点”,并证明它们可以比肩最好的单晶?!彼固垢4笱Щ笛芯可?、本次研究成果的作者之一戴维•哈尼菲(David Hanifi)说。


        研究人员专注于研究量子点重新发射它们所吸收的光时的效率,这是衡量半导体质量的一个指标。之前对量子点效率的研究至多能推断出量子点的高性能,本次研究则首次给出了一种测量方法,使研究人员能够自信地证明量子点可以比肩单晶。


        研究小组成员之一,加州大学伯克利分校纳米科学和技术学教授Alivisatos强调,某些新技术和新材料要求研究人员清楚地了解半导体的效率,因此该测量技术能够引领这些新技术和新材料的发展。


        他说,“这些材料效率太高了,之前既有的测量方法无法量化出它们到底有多好。本次研究是一个巨大的飞跃。也许有一天,它可以使那些需要极高发光效率的材料的应用得以产生,而目前这种材料还很少?!?


        99%到100%之间


        能够替代昂贵的制造设备并不是量子点的唯一优势。甚至在此项研究之前,就有迹象表明量子点的性能可以接近或超过一些最好的晶体。量子点还是高度个性化定制的。通过调节它们的大小就可以调节它们发出的光的波长,这对基于颜色的应用程序来说是一个有用的特性,比如标记生物样本、电视或电脑显示器。


        尽管有这些优点,量子点的尺寸却极小,这意味着可能需要数十亿个量子点才能完成一个大的、完美的单晶的工作。制造数量如此之众的量子点意味着制造过程中产生纰漏的风险更大,也意味着更有可能出现妨碍性能的缺陷。以前测量其他半导体质量的技术表明,量子点能够将它们所吸收光的99%甚至更多重新发出,但这还不足以回答关于它们潜在缺陷的问题。为了做到这一点,研究人员需要一种能够更精确评估这些粒子的测量技术。


        研究组另一成员Hanifi说:“我们想要在99.9%到99.999%的范围内测量发射效率,因为如果半导体能够像光发射它们吸收的每一个光子那样进行重新发射,我们就可以做些有趣的科学研究,制造出前所未有的设备?!?


        研究小组使用的技术包括检查被激发的量子点产生的余热,而不是仅仅评估光的发射,因为余热是低效发射的标志。这种技术通常用于其他材料,从未以这种方式被用于测量量子点,而它的精确度是过去用过的其他方法的100倍。研究组发现,一组量子点可以可靠地发出它们所吸收光的99.6%(上下0.2%误差浮动),这与最好的单晶辐射相当。


        与人们的担忧相反,研究结果表明量子点具有惊人的容错能力。该测量技术还首次给出了比较不同量子点结构的方法——当量子点恰好覆有8个原子那么厚的一种特殊涂层材料时,其发光速度最快,即品质最优。Alivisatos说,这些点的形状应该指导新型发光材料的设计。


        全新技术


        该项目的下一步是开发更精确的测量方法。如果研究人员能够确定这些材料的效率的确能达到甚至超过99.999%,那就为一些前所未见的技术开辟了可能,例如,能使研究人员更好地在原子尺度上研究生物学的新型发光染料,使相对较小的一组太阳能电池能够从大面积太阳辐射中吸收能量的发光冷却剂和发光太阳能集中器。

    (中国电科发展战略研究中心 焦丛)

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