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太阳能光伏陶瓷
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科学家剃除纳米晶体上的“毛发” 以改进下一代显示器和太阳能电
发布时间:2022-08-10 02:57:15 来源:华体会体育官方 作者:华体会体育在线
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  芝加哥大学化学家的一项新突破有望被用来产生未来的设备,如下一代显示器和太阳能电池。自20世纪50年代以来,技术构件已经变得越来越小了。但是,为了创造未来几代的电子产品--如更强大的手机,更高效的太阳能电池,甚至是量子计算机--科学家们将需要在最微小的尺度上提出全新的技术。

  一个感兴趣的领域是纳米晶体。这些微小的晶体可以将自己组装成许多配置,但是科学家们一直难以弄清楚如何使它们相互“交谈”。

  一项新研究介绍了使纳米晶体在电子方面共同运作的一个突破。这项研究于3月24日发表在《科学》杂志上,可能为未来具有新能力的设备打开大门。

  论文的通讯作者、芝加哥大学教授德 Dmitri Talapin说:“我们称这些为超级原子构件,因为它们可以赋予新的能力--例如,让相机看到红外线范围。但是直到现在,要把它们组装成结构并让它们相互‘交谈’是非常困难的。现在,我们第一次不必再做选择。这是一个变革性的改进。”

  化学博士生、该研究的第一作者之一Josh Portner说,在他们的论文中,科学家们提出了设计规则,这应该允许创造许多不同类型的材料。

  科学家们可以从许多不同的材料中生长出纳米晶体:金属、半导体和磁体将各自产生不同的特性。但问题是,每当他们试图将这些纳米晶体组装成阵列时,新的超级晶体会在周围长出长长的“毛发”。

  这些“毛发”使得电子很难从一个纳米晶体跳到另一个。电子是电子通信的信使;它们轻松移动的能力是任何电子设备的一个关键部分。

  研究人员需要一种方法来减少每个纳米晶体周围的“毛发”,这样他们就可以把它们包得更紧,并减少中间的空隙。芝加哥大学化学和分子工程系欧内斯特-德威特-伯顿杰出服务教授、阿贡国家实验室高级科学家 Talapin说:“当这些空隙只有原来的三分之一时,电子跳过的概率就会高出10亿倍左右。它随距离的变化非常强烈。”

  为了剃掉这些“毛发”,他们试图了解在原子水平上发生了什么。为此,他们需要阿贡的纳米材料中心和SLAC国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源的强大X射线的帮助,以及强大的模拟和化学和物理学的模型。所有这些使他们能够了解在表面发生了什么,并找到利用其生产的关键。

  生长超级晶体的部分过程是在溶液中完成的,也就是说,在液体中。事实证明,随着晶体的生长,它们经历了一个不寻常的转变,其中气态、液态和固态相全部共存。通过精确控制该阶段的化学反应,他们可以创造出具有更硬、更细的外表的晶体,这些晶体可以更紧密地挤在一起。 Portner说:“了解它们的相行为对我们来说是一个巨大的飞跃。”

  完整的应用范围仍不清楚,但科学家们可以想到该技术可能导致的多个领域。Talapin说:“例如,也许每个晶体可以成为量子计算机中的一个量子比特;将量子比特耦合成阵列是目前量子技术的基本挑战之一。”

  Portner还对探索超级晶体生长过程中看到的不寻常的中间物质状态感兴趣。“像这样的三相共存是非常罕见的,以至于思考如何利用这种化学特性并构建新材料是非常有趣的。”

  这项研究包括来自芝加哥大学、德累斯顿工业大学、西北大学、亚利桑那州立大学、SLAC、劳伦斯伯克利国家实验室和加利福尼亚大学伯克利分校的科学家。

  该研究部分是在美国能源部的能源-水系统先进材料中心、中西部计算材料综合中心、阿贡的纳米材料中心和SLAC国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源进行。