Ultrasnelle spin-uitwisseling in kwantumstippen verbetert zonne-energie en fotochemische efficiëntie

Kwantumstippen zijn microscopische halfgeleiderkristallen ontwikkeld in het lab die veel eigenschappen delen met atomen, waaronder het vermogen om licht te absorberen of uit te stoten, een technologie die Los Alamos -onderzoekers bijna drie decennia hebben doorgebracht met evolueren. Door carrier vermenigvuldiging, waarbij een enkel geabsorbeerd foton twee elektronengatparen genereert, genaamd excitons, hebben kwantumstippen het unieke vermogen om fotonen efficiënter om te zetten in energie.

“Ons werk laat zien hoe puur kwantummechanische spin-uitwisselingsinteracties kunnen worden benut om de efficiëntie van fotoconversie-apparaten of fotochemische reacties te verbeteren”, zegt Victor Klimov, de belangrijkste onderzoeker van het team bij het laboratorium. “Dit verdiept niet alleen ons fundamentele begrip van kwantummechanische fenomenen, maar introduceert ook een nieuw paradigma voor het ontwerpen van geavanceerde materialen voor energietoepassingen.”

In dit laatste onderzoek, gepubliceerd in het dagboek NatuurcommunicatieLos Alamos -onderzoekers verbeterden dit vermogen door magnetische mangaanonzuiverheden in kwantumstippen te introduceren. Deze nieuwe benadering van zeer efficiënte carriervermenigvuldiging maakt gebruik van ultrasnelle spin-uitwisselingsinteracties gemedieerd door mangaanionen om de energie van energetische (hot) dragers te vangen gegenereerd door invallende fotonen en om te zetten in extra excitons.

Jungchul Noh, een postdoc in het team van Klimov en hoofdchemicus in dit project, is enthousiast over de potentiële impact van deze ontdekking. “De mogelijkheid om de opbrengst van ladingsdrager te verbeteren door spinuitwisselingsdragersvermenigvuldiging heeft verstrekkende implicaties voor een breed scala aan fotoconversietechnologieën, van zonne-elektriciteit en high-speed fotodetectoren tot licht aangedreven chemische synthese,” zegt Noh.

Een nieuw mechanisme voor efficiënte lading genereren

In tegenstelling tot conventionele vervoerdervermenigvuldiging, die afhankelijk is van impactionisatie, maakt spin -uitwisselingsdrager vermenigvuldiging van de ultrasnelle bidirectionele energieoverdracht tussen de mangaan -doteermiddelen en de intrinsieke toestanden van kwantumstippen. Dit proces verhoogt aanzienlijk de kans op het genereren van meerdere elektronengatparen uit een enkele fotonabsorptie, wat resulteert in verbeterde fotoconversie-efficiëntie.

Los Alamos-onderzoekers verifieerde de effectiviteit van dit proces door optische spectroscopie en, met name fotostroommetingen in een real-world fotogeleidend apparaat, wat het potentieel voor praktische toepassingen aantoont.

Door jarenlang onderzoek ontdekten Los Alamos -wetenschappers dat traditionele vervoerdervermenigvuldiging wordt beperkt door de snelle koeling van hete dragers via fononemissie, die concurreert met impactionisatie, het primaire mechanisme dat conventionele dragerserviculatie stimuleert.

Het onderzoeksteam omzeilde deze beperking door mangaan-doteermiddelen op te nemen in kwantumstippen van de kernschaal, die een omgekeerde bandstructuur hebben, waarbij het shell-materiaal een lagere bandgap heeft dan de kern. Dit unieke ontwerp vergemakkelijkt een efficiënte lokalisatie van elektronen en gaten in de schaal, waardoor dragersextractie voor energietoepassingen wordt geoptimaliseerd.

De belangrijkste doorbraak ligt in de spin-uitwisselingsinteractie van deze mangaan-gedoteerde kwantumstippen, die mogelijk maakt:

• Ultrafaste excitatieoverdracht van hete dragers naar mangaanionen ionen
• Spin-flip ontspanning van mangaanionen, waardoor energie wordt vrijgegeven om extra excitons te genereren
• Aanzienlijk hogere efficiëntie van de dragerserviculatie vergeleken met traditionele kwantumstippen, met een dragerserviculatie -opbrengst over vier keer groter dan voor niet -gedoteerde kwantumstippen

Potentiële impact

Met het potentieel om de conversie van zonne-energie, fotodetectoren en fotokatalyse aanzienlijk te beïnvloeden, markeert dit onderzoek een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van de volgende generatie kwantumgebaseerde energietechnologieën.

Om de praktische toepasbaarheid van deze technologie te beoordelen, testten onderzoekers de kwantumstippen in fotogeleidende apparaten. Deze apparaten vertoonden een scherpe verbetering van de fotocurrent-generatie direct boven de spin-uitwisseling dragervermenigvuldigingsdrempel, gedefinieerd door de energie van de spin-flip-overgang van de mangaanion. Dit bevestigt dat het verhoogde dragersopbrengst zich direct vertaalt in verbeterde apparaatprestaties.

Simulaties van de vermogensconversie -efficiëntie van de studie voorspellen dat deze methode een efficiëntie -toename van maximaal 41%zou kunnen bereiken, wat de theoretische limiet nadert voor volledig geoptimaliseerde apparaten met conventionele dragerservicing.

Bovendien zou deze technologie een cruciale rol kunnen spelen in fotochemische transformaties, met name die waarvoor meerdere reductie- en oxidatiestappen nodig zijn-bijvoorbeeld energie-intensieve processen zoals ammoniakproductie via stikstoffixatie, die momenteel meer dan 2% van de wereldwijde energie verbruikt.