研究人員將鈣鈦礦納米材料分散在己烷中，用激光輻照制備。圖片來源：Luiz Gustavo Bonato

巴西坎皮納斯大學(xué)研究人員與美國合作者，提供了關(guān)于鈣鈦礦量子點基礎(chǔ)物理學(xué)的新穎見解。相關(guān)文章近日發(fā)表在《科學(xué)進展》上。

量子點是人造納米半導(dǎo)體材料，僅由幾千個原子組成。由于原子數(shù)量很少，量子點的特性介于單個原子或分子和具有大量原子的大塊材料之間。通過改變納米顆粒的大小和形狀，有可能微調(diào)量子點的電子和光學(xué)特性——電子如何結(jié)合并在材料中移動，以及光如何被它吸收和發(fā)射。

然而，當(dāng)光被一種材料吸收時，電子被提升到更高的能級，當(dāng)它們回到基本狀態(tài)時，每個電子都可以向環(huán)境釋放一個光子。在傳統(tǒng)的量子點中，電子返回基本態(tài)的過程會受到各種量子現(xiàn)象的干擾，從而延遲光向外界的發(fā)射。

以這種方式禁錮電子，即所謂的“暗態(tài)”，阻礙了光的發(fā)射，與之形成對比的是，電子可以迅速回到基本態(tài)，從而更有效、更直接地發(fā)射光，即“亮態(tài)”。在一種由鈣鈦礦制成的新型納米材料中，這種延遲可以縮短，這引起了材料科學(xué)研究人員的極大興趣

這里，研究人員使用了相干光譜學(xué)，能夠在數(shù)百億納米材料的集合中分別分析每個納米材料中的電子行為。這項研究結(jié)合了一種相對較新的納米材料——鈣鈦礦——和一種全新的檢測技術(shù)。

研究人員能夠驗證亮態(tài)和暗態(tài)之間的能量排列，并表明這種排列如何取決于納米材料的大小。他們還在這些狀態(tài)之間的相互作用方面有了發(fā)現(xiàn)，為這些系統(tǒng)在其他技術(shù)領(lǐng)域的使用提供了機會，比如量子信息。

巴西團隊負(fù)責(zé)人Lázaro Padilha Junior說，由于鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)，亮度形成三能級。這為激發(fā)和電子返回基態(tài)提供了各種途徑。通過分析每一個亮態(tài)的壽命和樣品發(fā)出的信號的特征，我們得到了證據(jù)，暗態(tài)是存在的，但位于比三個亮態(tài)中的兩個更高的能級。這意味著，當(dāng)光線照射到樣品上時，激發(fā)的電子只有在處于最高亮能級時才會被捕獲，然后轉(zhuǎn)移到暗態(tài)。如果它們占據(jù)較低的亮度，它們就能更有效地回到基本狀態(tài)。

專家認(rèn)為，該結(jié)果非常重要，因為材料的光學(xué)特性及其電子行為的知識為半導(dǎo)體光學(xué)和電子學(xué)新技術(shù)的發(fā)展提供了機會。鈣鈦礦的加入極有可能成為下一代電視機最顯著的特征。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.abb3594



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