激光新应用 | 让激子运动清晰可见

江苏激光联盟导读：

激子研究获新进展！作为一种独特而有趣的粒子，激子可以改变材料对光的反应方式、提升半导体等的性能，研究激子的运动和特性对于光电学有着重要意义。激光可助力“激子扩散”的直接成像，让激子从未知走向“可见可知”。

通过用含有钙钛矿纳米晶体附着的化学基团的聚合物涂覆硅衬底，研究人员能够形成紧密堆积在一起的单层钙钛矿纳米晶体，产生了200纳米的激子扩散长度新纪录。这一研究是通过用定制的显微镜对激子扩散进行直接成像，从而来测量的。来源：劳伦斯·伯克利国家实验室 Lawrence Berkeley National Laboratory

光电子学（Optoelectronics）作为发射、检测或控制光的技术，在现代电子产品中无处不在，比如发光二极管和太阳能电池等设备。其中激子(负电子和正空穴的束缚对)的运动决定了这些器件的性能。直到现在，在传统的光电系统中，激子可以传播的距离大约在30-70纳米，并且没有办法对激子运动、扩散路径进行直接成像。

在最近发表在ACS Nano上的一项研究中，一研究团队设计并制造了一种纳米晶体系统，在这种系统中，激子可移动200纳米，比以前可能的距离大一个数量级，可谓是创下新纪录！他们还建造了一个定制的显微镜，可以对激子的运动进行直接成像。

该实验室Molecular Foundry 纳米结构成像和控制设施的主任、这项研究的首席研究员Alex Weber-Bargioni说：“这项科学成就的意义在于我们发现了激子在一个人工系统可从一个晶体跳到另一个晶体中，而且这一距离比以前实现的要远十倍。与此同时，我们能够直接对激子的运动进行成像，以更好地理解它们的行为。”

据Foundry的博士后研究员、这项工作的参与者Monica Lorenzon解释，该团队的系统由钙钛矿的微小晶体组成，这种晶体是光电子器件较有前途的材料，以立方体的形状形成，很容易就被组装在一起。但是它们并非天然就可长距离飞行。为解决此，该论文的第一作者Erika Penzo通过在硅表面涂上一层含有化学基团的聚合物，使钙钛矿纳米晶体附着在该聚合物上，形成一层紧密堆积在一起的钙钛矿纳米晶体。这一过程产生了一个纳米晶体系统，在此系统中激子可以从一个晶体长距离移动到另一个晶体。

Weber-Bargioni说道：“在光电子学中，无论是把光转换成电，还是相反，都需要调谐和控制激子的扩散——光和电子的中介，因此了解激子移动的距离和速度非常必要、也很有意义。"

过去，激子的运动是通过在晶体中添加缺陷来测量的，缺陷会捕获激子。研究人员可以通过比较缺陷数量不同的样品来间接跟踪激子的运动。但这一系统可以通过定制的显微镜直接成像来让激子的运动“可视化”。这种直接测量扩散长度的方法还可以确保获得更精确的测量结果。”这一定制显微镜的基本原理是用激光激发(传递能量到)材料，产生一个激发点。随着能量的释放，同一位置的光激发光（材料发出的光，photoluminescence）会形成一个更宽的点，就像纸巾上的一滴水，随着时间的推移向外扩展、渗透。通过比较激发点和光致发光点，可以测量激子移动的平均距离，从而得到破记录的数字——200纳米扩散长度。

用激光束照射样品并过滤掉激光，观察光致发光，可得到一个更宽的光斑（即激子在样品中扩散）。通过增加时间分辨率，显微镜可观察激子的动力学，发现它们一开始会快速扩散，然后速度逐渐放缓。

纳米颗粒晶格上激子反应和退相的平均时间内光子发射统计的快照，右图模拟了激子跳跃

研究无止境、突破无极限！在后续研究中，研究人员探索了不同的方法(如等离子体与热力法)来为钙钛矿纳米晶体添加一层薄的保护层，这一保护层允许纳米晶体存活更长的时间，激子可以传播更远的距离，导致了更长的激子扩散——480纳米！他们还对定制显微镜进行了改进，增加了能量分辨率。随后发现当激子通过等离子体工艺移动通过涂覆的样品时，能量保持不变，而当激子被缺陷捕获、通过热处理涂覆的样品中熔化形成的大晶体中时，能量则降低。

谈及应用，研究人员对此十分自信！他们认为对激子如何运动进行更全面地理解有助于提高光电子器件的性能。在光电子器件中，针对不同的应用调节激子扩散长度极为有用的，比如在太阳能电池中具有长扩散长度，而在发光二极管中具有短扩散长度。研究人员将使用他们的显微镜观察不同类别的材料和不同类型的激子扩散，研究激子的运动是一致的还是彼此同步的。

来源：Erika Penzo et al, Long-Range Exciton Diffusion in Two-Dimensional Assemblies of Cesium Lead Bromide Perovskite Nanocrystals, ACS Nano (2020). DOI: 10.1021/acsnano.0c01536