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科学家揭秘铁电材料光电机制国能源部劳伦斯伯克利国家实验室及加州大学伯克利分校的研究人员揭开了铁电材料在光照条件下产生高压电的秘密。该研究发表在《物理评论快报》(PRL)上。铁电材料是指具有铁电效应的一类材料,它是热释电材料的一个分支。铁电材料及其应用研究已成为凝聚态物理、固体电子学领域最热门的研究课题之一。科学家已经了解到铁电材料的原子结构可以使其自发产生极化现象,但至今尚不清楚光电过程是如何在铁电材料中发生的。如果能够理解这一光电机制并应用于太阳能电池,将能有效地提高太阳能电池的效率。研究人员所采用的铁电材料是铋铁酸盐薄膜(BFO)。这种特别制作的薄膜有着不同寻常的特性,在数百微米的距离内整齐而有规律地排列着不同的电畴。电畴为条状,每个电畴宽为50纳米到300纳米,畴壁为2纳米,相邻电畴的极性相反。这样研究人员就可以清楚地知道内置电场的精确位置及其电场强度,便于在微观尺度上开展研究,同时也避免了杂质原子环绕及多晶材料所造成的误差。当研究人员用光照射铋铁酸盐薄膜时,获得了比材料本身的带隙电压高很多的电压,说明光子可释放电子,并在畴壁上形成空穴,这样即使没有半导体的P—N结构,也可形成垂直于畴壁的电流。通过各种试验,研究人员确定畴壁在提高电压上具有十分重要的作用。据此他们开发出一种模型,可令极性相反的电畴制造出多余的电荷,并能传递到相邻的电畴。这种情况有点像传递水桶的过程,随着多余电荷不断注入锯齿状相邻的电畴,电压可逐级显著增加。在畴壁的两侧,由于电性相反,就可形成电场,使载电体分离。在畴壁的一侧,电子堆积,空穴互相排斥;而另一侧则空穴堆积,电子互相排斥。太阳能电池之所以会损失效率,是由于电子和空穴会迅速结合,但是这种情况不会在铋铁酸盐薄膜上出现,因为相邻的电畴极性相反。根据同性相斥,异性相吸的原理,电子和空穴会沿相反的方向运动,而由于电子的数量远超空穴的数量,所以多余的电子会溢出到相邻的电畴。铋铁酸盐薄膜本身并不是一种很好的太阳能电池材料,因为它只对蓝色和近紫外线发生反应,而且在其产生高电压的同时,并不能产生足够高的电流。但是研究人员确信,在任何具有锯齿状结构的铁电材料中,类似的过程也会发生。目前研究人员正在调查和研究其他更好的替代材料。他们相信,该技术如果应用于太阳能电池,将使太阳能电池产生较高的电流,并能大幅提升太阳能电池的效率,有望生产出性能强大的太阳能电池。(来源:科技日报 何屹)
中国科技网讯 据俄罗斯科技网近日报道,莫斯科国立大学精细化工技术学院、俄罗斯科学院生化物理研究所和化学物理问题研究所的三个顶尖科研小组宣布,他们利用光敏配合基和硒化镉,成功合成了一种光控纳米复合材料。这种复合材料的性能可以通过改变特定波长的光照射而发生变化,可用于“智能”光敏控制设备。相关论文发表在《俄罗斯纳米技术》杂志上。 通过光线照射使光敏配合基的性能发生有针对性的变化,这是当前非常热门的研究领域。通常,这一研究领域的成果将有助于建立一些智能设备的原型,如分子光开关、光控逻辑模块、检测离子的传感器设备等等。研制出的最终产品将应用于生物信息学、纳米医学和其他一些应用科技领域。 科学家们成功地将配合基分子固定在硒化镉纳米粒子的表面,从而形成了复合连接。其中无机纳米硒化镉(科学家称之为量子点)具有荧光控制的特点。所谓荧光控制,是指一些原子和分子具有吸收较高能量的光子,然后释放能量较低光子的特殊能力,例如一些荧光染料,它们能够吸收太阳辐射出的不可见紫外线,然后自身发出可见光。这种光线的颜色很饱和,我们在舞厅里常常会看见这种荧光灯发出的光芒。硒化镉量子点的荧光特性毫不逊于有机荧光分子,后者在生物学和医学上广泛得以使用。例如,量子点发出的波长取决于纳米粒子的大小,通过改变纳米粒子的大小就可以指定它们发出波长的频谱区域,这一特性有助于建立具有良好灵敏度和清晰度的单分子光敏系统,其在纳米级无机量子点的研究中被广泛应用。 在此项研究中,科学家使用一个直径为3.7纳米的硒化镉粒子,这种纳米粒子尤其善于吸收最大波长为585纳米的可见光。光敏配合基根据光的影响而改变其配置能力,进而改变硒化镉量子点的荧光光谱和大小。在原始复合材料中可明显观察到波长598纳米的量子点荧光。用短波照射复合材料后,材料的配置发生变化,开始发出波长为670纳米的荧光。如果把复合材料放置在黑暗中或用可见光照射一段时间,配合基分子会自动恢复到原始状态,而复合材料也趋于最初的荧光特点。基于此原理,他们获得了这种通过改变特定波长的光照射来控制属性的复合材料。此外,这种变化是可逆的,复合材料可以很容易地返回到其原始状态。这一研究结果对构建光敏智能控制系统原型具有良好前景,可用于特殊领域的光敏开关。(记者 曲键) 《科技日报》(2012-05-26 二版)
《自然—材料学》:美科学家造出“隐身斗篷”[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/05/200905061619_148549_1644912_3.jpg[/img]光线照射到“斗篷”时,改变方向。这样,在我们看来,这个地方原本就没有东西——放置在这里的物品隐身了。最近,美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究者们,成功让置于“隐身斗篷”中的物品“消失”。 张翔(Xiang Zhang)是美国加州大学伯克利分校材料科学部首席科学家和该校纳米科学和工程研究中心主任。他带领的研究团队用硅纳米材料制造了一种“斗篷”,普通的光学检测,将无法发现放置在斗篷下的物品——尽管我们依然能看到这个“斗篷”,但“斗篷”下的物品,已经“消失”得无影无踪了。当照射到一个平面的光线被“改变方向”,折射出去,就意味着这个物品在我们的视觉中隐身了。 “我们通过使用新的纳米材料,找到了制造隐身衣的新思路”,张翔表示。“我们的‘斗篷’在光学检测下的表现,不仅表明隐身衣是可以实现的,而且也是光学视觉转换的重要一步,它打开了一扇新的研究之门,让我们能够操纵光线,制造出功能更加强大的显微镜和运算速度更快的计算机。” 张翔团队的隐身装置,包括复合材料-复合金属材料、电介质,它非凡的“隐身”本领,更多是来自于独特的结构,而不是物质组成。张翔等人发明了两种新的纳米级材料:用银和镁的氟化物交替分成构成一种渔网状的新材料和从多孔氧化铝中生成的纳米银线。这两种材料都可以改变光线的方向,这是自然存在物所不可能具备的特性。 尽管之前复合金属材料已经成功让“斗篷”从微波频率中隐身,但迄今为止,研究者还没有完成隐身衣的关键步骤——实现光学意义上的隐形。因为金属材料吸收了太多的光线。 张翔和他的团队研制的新隐身“斗篷”完全由绝缘材料制造,在光学频率中,它们往往是透明的。斗篷由矩形的硅片制成,厚250纳米。这可以作为一个光波导,光线仅限于在这个垂直高度中,向前后两个方向自由传播。在纳米硅材料上,研究人员精心设计了一些孔:每个孔直径为110纳米,这就使得斗篷周围的光波发生完全弯曲,就好象喝水流过岩石一样。在《自然—材料学》上发表的实验报告中,这个隐身斗篷覆盖的区域为3.8微米左右。它表明,当光线的方向发生改变,物品的隐身是可以实现的。 现在,隐身斗篷可以在波长1400~1800纳米之间操作,这几乎是近红外部分的电磁频谱,略长于光线,人类的肉眼可见。张翔表示,由于介质组成和设计,隐身斗篷比以前容易制造,且具有(覆盖区域)向上的拓展性。他还乐观地断言,研究者可以制造出新的材料,以更精确地制造这种隐身装置——换句话说,是实现真正意义上的视觉隐身。 “在这个实验中,我们已经证明了光线折射导致隐身的原理在二维物体中是适用的,”张翔表示,“我们的下一个目标,是制造在三维空间中适用的‘斗篷’,并使这种装置能尽快投入实际运用。” 这项研究的经费,由美国陆军研究办公室和美国能源部科学办公室资助。 张翔及其研究小组的这份研究报告,将发表在最近的《自然—材料学》(Nature Materials)杂志上。