NRL 的科学家已经发现了新的具有明亮基态激子的半导体纳米晶体，可能会颠覆发光设备，并解决暗激子问题。

美国海军研究实验室（NRL）的科学家已经确认了一种新型半导体纳米晶体的识别，这种晶体具有明亮的基态激子。这一光电领域的重大进展最近发表在美国化学学会（ACS）的《ACS Nano》杂志上。

这项开创性的理论研究可能会颠覆高效发光器件和其他技术领域的发展。

一般来说，纳米晶体中能量最低的激子发光能力较弱，因此被称为“暗”激子。因为它会减缓光的发射，所以暗激子限制了基于纳米晶体的设备（如激光器或发光二极管）的性能。科学家们一直在努力克服暗激子的问题。

“我们着手寻找激子排列颠倒的新材料，以使最低能量的激子能够发光，”高级功能材料理论部门的博士约翰·莱昂斯说。“我们使用由我们的理论模型提供的信息作为标准，在开源材料数据库中搜索，我们发现了 150 多个目标。我们进一步利用先进的第一性原理计算缩小了范围，最终确定了 28 种可能发光的激子纳米材料候选物。”

有望成为明亮激子纳米材料的候选者

对这些材料进行更详细的建模表明，其中至少四种可在纳米晶体中产生明亮的基态激子。“与苏黎世联邦理工学院（ETH）的David Norris教授和能源混合有机-无机半导体中心（CHOISE）的Peter Sercel博士合作进行的这项发现，可能为开发超亮、高效的光电发射装置、激光器和其他技术铺平道路，”Lyons说。

亚历山大·埃夫罗斯博士是材料科学部的高级科学家，也是这篇论文的主要作者，他详细阐述了这项研究的含义。“在我们的研究中，我们发现了几种明亮的激子材料，它们可以发出从红外到紫外的广谱光，”埃夫罗斯说。“这种多功能性使它们在光电应用中非常有用。设计在整个范围内具有明亮激子态的纳米晶体的能力为创造更好、更高效的发光二极管、太阳能电池和光电探测器开辟了新的途径。”

通过解决暗激子问题，NRL科学家希望激励大型纳米材料界去攻克明亮的激子纳米结构，这一领域停滞了太长时间。目前，这三种材料正在NRL进行培育，这是纳米科学研究所计划“明亮的纳米晶体发射器”计划的一部分，该计划旨在在实验室中明确展示明亮的激子行为，并将其用于未来的海军技术。

“我们的发现证明了将高通量计算筛选、纸笔理论和电子结构高精度计算相结合的力量，”Michael Swift博士说。“没有任何一种技术能独当一面，但我们共同发现了新的超亮纳米晶体，并解锁了未探索材料类别中明亮激子的力量。”

先进功能材料理论部对功能、结构、生物和电子材料系统进行基础和应用研究。该部门开创了模拟材料和系统的新方法，包括计算和理论技术的原始开发、现有方法的改进以及将既定方法应用于新材料和新领域。该部门的目标是运用理论和模拟来理解、改进和开发对现在和未来海军具有重要意义的材料。

参考文献：“具有明亮基态激子的半导体纳米晶体的识别”，作者：Michael W. Swift、Peter C. Sercel、Alexander L. Efros、John L. Lyons 和 David J. Norris，2024 年 7 月 22 日，ACS Nano。DOI: 10.1021/acsnano.4c02905