眼见为实记录激子扩散长度的直接成像

光电子学——发出、检测或控制光的技术——在现代电子产品中无处不在，包括发光二极管 (LED) 和太阳能电池等设备。在这些设备中，激子(负电子和空穴对)的运动决定了设备的性能。

到目前为止，激子在传统光电系统中可以传播的距离约为 30-70 纳米，并且无法直接成像激子的运动方式。在最近发表在ACS Nano 上的一项研究中，Foundry 研究人员团队设计并制造了一个纳米晶体系统，其中激子可以移动 200 纳米的创纪录距离，比以前可能的移动距离大一个数量级。他们还建造了一个定制显微镜，可以直接对激子的运动进行成像。

“科学成就是我们发现了一个人工系统，其中激子在很长的距离内从一个晶体跳跃到另一个晶体，比以前实现的距离要远十倍，”纳米结构成像和操作设施的设施主管亚历克斯·韦伯-巴乔尼说。 Molecular Foundry 和该研究的首席研究员。“然后是技术成就——我们能够直接对激子的运动进行成像，以更好地了解它们的行为。”

他们的系统由钙钛矿的微小晶体组成，这种晶体正在成为光电器件的有前途的材料。

“钙钛矿纳米晶体呈立方体形状，这使得它们很容易组装在一起，”铸造厂的博士后研究员、这项工作的作者 Monica Lorenzon 解释说。“但他们不会自然地长距离这样做。” Lorenzon 描述了她的同事、论文的第一作者 Erika Penzo 如何用含有化学基团的聚合物涂覆硅表面，钙钛矿纳米晶体会附着在上面，形成单层钙钛矿纳米晶体紧密堆积在一起。这种表面工程过程产生了一个纳米晶体系统，其中激子可以在很长的距离内从一个晶体移动到另一个晶体。

该系统为研究人员提供了一个有用的案例研究，可以更深入地研究激子如何移动或扩散。“在光电子学中，无论您是将光转换为电，反之亦然，您都希望能够调整和控制激子的扩散，因为它们是光和电子的中介。” 韦伯-巴尔乔尼说。“因此了解激子移动的距离和速度非常有用。”

过去，激子运动是通过添加缺陷、晶体中捕获激子的缺陷来测量的。研究人员可以通过比较具有不同缺陷数量的样本来间接跟踪激子的运动。“但我们的系统要直接得多，”洛伦宗解释说。“我们实际上可以通过使用定制的显微镜直接成像来可视化激子运动。与可以间接测量的扩散长度范围相比，这种方法还可以产生更准确的测量结果。”

显微镜的基本原理是使用激光激发(将能量转移到)材料，从而产生激发光斑。随着这种能量的释放，同一位置的光致发光(材料发出的光)将是一个更广泛的点，就像纸巾上的一滴水随着时间的推移向外扩展。通过将激发点与光致发光点进行比较，可以测量激子移动的平均距离，从而产生创纪录的 200 纳米扩散长度。“我们用激光束击中样品，如果我们过滤掉激光并观察光致发光，我们会得到一个更宽的光斑——即激子在样品中扩散，”洛伦宗解释说。

通过增加时间分辨率，显微镜还能够观察激子的动力学，发现它们首先快速扩散，然后减速。这种对激子运动方式的深入理解有助于提高光电子器件的性能，这有助于为不同应用调整激子扩散长度，例如太阳能电池中的长扩散长度和 LED 中的短扩散长度。

在这项研究的后续行动中，研究人员探索了不同的方法(等离子体与热)为钙钛矿纳米晶体添加薄的保护层。因为这个保护层允许纳米晶体存活更长时间，激子可以传播更远的距离，这导致激子扩散长度更长，达到 480 纳米。

定制显微镜也得到了改进，包括能量分辨率。这表明，当激子穿过通过等离子体工艺涂覆的样品时，能量保持不变，而当激子被困在缺陷和通过热处理涂覆的样品中由熔化的纳米晶体形成的大晶体中时，能量会降低。这项工作最近被 Advanced Optical Materials 接受。

展望未来，研究人员有兴趣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。他们还在研究激子的运动是否可以是连贯的，或者彼此同步运动。

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