科学家发现了一类新的半导体纳米晶体

美国海军研究实验室（NRL）的科学家在美国化学学会（ACS）杂志《ACS Nano》上发表的一篇文章中证实，他们发现了一类具有明亮基态激子的新型半导体纳米晶体，这是光电子领域的一项重大进展

这项突破性的理论研究可能会彻底改变高效发光器件和其他技术的发展

一般来说，纳米晶体中能量最低的激子发射较差，因此被称为“暗”激子。因为它减缓了光的发射，暗激子限制了基于纳米晶体的器件的性能，如激光器或发光二极管（LED）。科学家们长期以来一直试图克服暗激子

“我们着手寻找激子顺序颠倒的新材料，这样最低能量的激子就明亮了，”高级功能材料理论部的John Lyons博士说。“使用我们的理论建模所提供的标准，在开源材料数据库中搜索，我们确定了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列表，最终得到了28个明亮激子纳米材料的候选物。”

对这些材料的更详细建模表明，至少有4个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（CHOISE）的Peter Sercel博士合作完成的，可以为超亮高效发光器件、激光器和其他技术的发展铺平道路。”

材料科学部高级科学家、该论文的资深作者Alexander Efros博士详细阐述了该研究的意义

“在我们的研究中，我们发现了几种明亮的激子材料，可以在从红外到紫外的宽光谱范围内发光，”Efros说。“这种多功能性使它们在光电应用中非常有用。在如此宽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。”

通过解决暗激子问题，NRL科学家希望刺激大型纳米材料界攻击明亮激子纳米结构，这一领域已经停滞了太久。今天，作为纳米科学研究所项目“明亮纳米晶体发射器”倡议的一部分，NRL正在生长其中三种材料，旨在在实验室中最终证明明亮的激子行为，并将其用于未来的海军技术

“我们的发现证明了将高通量计算筛选、纸笔理论和电子结构的高精度计算相结合的力量，”Michael Swift博士说。“没有一种技术本身就足够了，但我们共同发现了新的超亮纳米晶体，并在未开发的材料类别中释放了亮激子的力量。”

高级功能材料理论部分对功能、结构、生物和电子材料系统进行了基础和应用研究。该部分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创发展、现有方法的修改以及将既定方法应用于新材料和新领域。本节的目标是利用理论和模拟来理解、改进和开发具有当前和未来海军重要性的材料 More information: Michael W. Swift et al, Identification of Semiconductor Nanocrystals with Bright Ground-State Excitons, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c02905

Journal information: ACS Nano