量子点是由仅包含几千个原子的半导体材料制成的人造纳米粒子。由于原子数​​量少，量子点的性质介于单个原子或分子和具有大量原子的大块材料之间。通过改变纳米颗粒的尺寸和形状，可以微调它们的电子和光学特性——电子如何结合和穿过材料，以及光如何被吸收和发射。

由于对纳米颗粒尺寸和形状的控制越来越精细，商业应用的数量有所增加。那些已经可用的产品包括采用量子点技术的激光器、LED 和电视。

然而，有一个问题可能会削弱使用这种纳米材料作为活性介质的设备或器具的效率。当光被一种材料吸收时，电子被提升到更高的能级，当它们恢复到它们的基本状态时，每个电子都可以向环境发射一个光子。在传统的量子点中，电子返回其基本状态的过程会受到各种量子现象的干扰，从而延迟了向外部发射的光。

电子以这种方式被，称为“暗态”，与让它们快速返回基本状态并因此更有效和直接地发光(“亮态”)的路径形成对比，延迟了光的发射)。

在由钙钛矿制成的新型纳米材料中，这种延迟可以更短，因此引起了材料科学研究人员的极大兴趣。

巴西圣保罗州坎皮纳斯大学 (UNICAMP) 化学和物理研究所的研究人员与美国密歇根大学的科学家合作进行的一项研究通过提供新颖的深入了解钙钛矿量子点的基础物理学。一篇关于这项研究的文章发表在《科学进展》上。

“我们使用了相干光谱，这使我们能够分别分析数百亿纳米材料集合中每种纳米材料中电子的行为。这项研究具有开创性，因为它结合了一类相对较新的纳米材料——钙钛矿——与完全不同的纳米材料。新的检测技术，”巴西方面该项目的首席研究员 Lázaro Padilha Junior 告诉 Agência FAPESP。

FAPESP 通过青年研究员资助和授予 Padilha 的常规研究资助支持这项研究。

“我们能够验证亮态 [与三重态相关] 和暗态 [与单态相关] 之间的能量对齐，表明这种对齐如何取决于纳米材料的大小。我们还发现了这些状态之间的相互作用，为在其他技术领域(例如量子信息)中使用这些系统开辟了机会，”Padilha 说。

“由于钙钛矿的晶体结构，明亮的能量水平分为三个，形成一个三重态。这为激发和电子返回基本状态提供了各种途径。该研究最引人注目的结果是通过分析三种亮态中每一种的寿命以及样品发出的信号的特征，我们获得的证据表明暗态存在但位于比三种亮态中的两个更高的能级。这意味着当光照时样品上的激发电子只有在它们占据最高亮能级时才会被俘获，然后转移到暗态。如果它们占据较低的亮能级，它们会更有效地返回到基态。”

为了研究电子如何与这些材料中的光相互作用，该小组使用了多维相干光谱 (MDCS)，其中一束超短激光脉冲(每个持续约 80 飞秒，或 80 千万亿分之一秒)射向钙钛矿样品冷却至负 269 摄氏度。

“脉冲以严格控制的间隔照射样品。通过修改间隔并检测样品发出的光作为间隔的函数，我们可以以高时间精度分析电子-光相互作用及其动力学，绘制典型的相互作用时间，它们耦合的能级，以及与其他粒子的相互作用，”Padilha 说。

MDCS 技术可用于同时分析数十亿个纳米颗粒，并区分样品中存在的不同纳米颗粒家族。

该实验系统由密歇根大学这项研究的首席研究员 Steven Cundiff 领导的团队开发。其中一些测量是由坎迪夫团队的前成员迪奥戈·阿尔梅达 (Diogo Almeida) 完成的，他现在在 UNICAMP 的超快光谱实验室工作，在 Padilha 的监督下获得了 FAPESP 的博士后奖学金。

量子点由 Luiz Gustavo Bonato 博士合成。UNICAMP化学研究所的候选人。“Bonato 在准备量子点和他的方案时所采取的谨慎措施从根本上来说非常重要，这从它们的质量和大小以及纳米材料的特性中可以看出，”巴西研究的联合首席研究员 Ana Flávia Nogueira 说。Nogueira 是化学研究所 (IQ-UNICAMP) 的教授，也是新能源创新中心 (CINE) 研究部 1 的首席研究员，该中心是由 FAPESP 和壳牌成立的工程研究中心 (ERC)。

“获得的结果非常重要，因为了解材料的光学特性及其电子行为为半导体光学和电子学新技术的发展开辟了机会。钙钛矿的掺入很可能是其最显着的特征。下一代电视机，”诺盖拉说。

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