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额外的能级有助于将光能转换为石墨烯表面波,从而提高转换效率

发布:WD114EVA    |    2020-11-20 13:56    阅读:529
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额外的能级有助于将光能转换为石墨烯表面波,从而提高转换效率

来自两所俄罗斯大学的物理学家共同合作成功地将光能转化为石墨烯表面波,效率接近90%。所谓的集体共振激光能量转换过程和半导体量子点作为中间转换器对表面等离子体的实现尤为重要。中间信号转换器 ,即具有不同化学组分和物理几何的纳米结构,它用于大幅度提高将光转换为 2D 表面上表面的等离子体极化声子(SPPs)的效率(普通效率在约 10% 的范围内)。由Moscow Institute of Physics and Technology(MIPT)和Vladimir State University的科学家领导的这项研究中的量子点直径为40纳米;它的成分与制造它们的固体半导体相似。

量子点的不同尺寸会影响它们的光学特性。通过改变量子点的尺寸,研究人员能够调整他们感兴趣的光波长。当自然光照亮各种大小的点组合时,每个点对特定波长作出反应。研究人员使用椭圆体形状的量子点,这些点在石墨烯表面上方充当"散射器"。波长为 1.55 μm 的红外光照亮表面,这个表面由介质缓冲层从量子点分离出来。

将激光束转换为表面等离子体极化声子的结构。Mikhail Gubin et al等供图。

类似的系统其实并不是新的发明,尽管以前的工作容易受到发光淬灭的影响,当入射光能量转化为热量以及反向光散射时,这种淬灭就发生了。这些缺陷使SPP发电效率没有超过10%。MIPT光子与二维材料中心的高级研究员以及这项研究论文合作者Alexei Prokhorov说,这项新工作建立在早期不同的尝试来提高效率,包括石墨烯-入射光和石墨烯-表面电磁波相互作用以及不同频率的实验。当一个量子点以1.55μm的波长与光相互作用时,它在3.5μm波长时与SPP相互作用。混合相互作用的方案允许了差异化的存在。与之前仅仅依靠两个能级(即系统中的上下两个不同的能级)不同,新的设计包含了第三个中间能级:一种可以实现激光的能量结构。

这个增加使量子点和表面电磁波之间产生了的强烈的相互作用。在照射它的激光波长作用下,量子点被激发。同时,表面波的波长完全由SPP量子点的共振确定。Prokhorov说:“我们使用了一系列制造量子点的材料以及各种类型的石墨烯。"除了纯石墨烯,还有所谓的‘掺杂的石墨烯’,这种掺杂的石墨烯掺入了元素周期表中邻近族的元素。根据掺杂的种类,石墨烯的化学势各不相同。我们优化了量子点的参数,包括它的化学组分,几何结构以及石墨烯的类型,从而最大限度地提高了光能转换成表面等离子体极化声子的效率。最终,我们决定使用掺杂石墨烯和锑化铟作为量子点材料。”

尽管石墨烯中具有高效率以及量子点中间能级注入,但产生的表面波的强度很低;大量的量子点是必要的,并在石墨烯层上方有精确特定的排列,以推动这个过程的发生。由于每个点近场的相位影响,研究人员还开发了各量子点之间的精确几何结构和优化的间距以确保信号的放大。研究小组首先报告了测量石墨烯中信号,该信号比量子点在随机排列中显示的要大好几个数量级。科学家们使用自行开发的软件模块进行后续的计算,结果表明转换效率高达95%。研究人员说,即使考虑到一些不利因素,采用新开发设计的转换效率仍将保持在50%以上,比任何其它系统输出的效率高出数倍。

这项研究的合作作者、MIPT光子学和2D材料中心的主任Valentyn Volkov表示:“这类研究的很大一部分侧重于制造高度集成的器件,这些器件能够将光能转化为在一个空间非常小的尺度上的高效率等离子体极化声子,从而将光能存储到这些结构中。此外,你也可以通过累积极化子,从而可以设计一个由几个原子层组成的超薄电池。在类似于太阳能电池的光能转换器中可以使用这种效应,但效率是太阳能电池的好几倍。另外一个很有前途的应用是与纳米和生物检测有关的领域。”

这项研究得到了俄罗斯科学基金会资助并发表在《Laser & Photonics Reviews》上(www.doi.org/10.1002/lpor.202000237)。

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