被称为量子点的小而易于生产的粒子，可能很快会取代太阳能电池板、相机传感器和医疗成像工具等先进电子设备中更昂贵的单晶半导体。尽管量子点已经开始进入消费市场——以量子点电视的形式——但它们的质量长期以来一直不确定。现在，斯坦福大学研究人员开发的一种新的测量技术可能最终会消除这些疑虑。
“传统半导体是单晶，在特殊条件下在真空中生长。这些可以在烧瓶和实验室中大规模生产，我们已经证明它们和最好的单晶一样好，”斯坦福大学化学系研究生、该论文的合著者大卫哈尼菲说。这项工作发表在《科学》杂志上。
研究人员专注于量子点如何有效地重新发射它们吸收的光，这是衡量半导体质量的一个里程碑。尽管以前计算量子点效率的尝试暗示了高性能，但这是第一个可靠地表明它们可以与单晶竞争的测量方法。
这项工作是斯坦福大学材料科学与工程教授阿尔贝托萨莱奥(Alberto Salleo)与量子先驱、加州大学伯克利分校三星纳米科学与纳米技术杰出教授保罗阿里维萨托斯(Paul Alivisatos)合作的成果。dot研究和这篇论文的共同高级作者。Alivisatos强调了测量技术如何开发需要深入了解半导体效率的新技术和新材料。
“这些材料非常有效，现有的测量结果无法量化其质量。这是一个巨大的飞跃，”Alivisatos说。“总有一天，一些应用可能需要发光效率远高于99%的材料，而其中大部分还没有被发明出来。”
在90到100之间。
能够放弃对昂贵制造设备的需求并不是量子点的唯一优势。甚至在这项工作之前，就有迹象表明量子点可以接近或超过一些最好的晶体的性能。它们也是高度可定制的。改变它们的大小将改变它们发出的光的波长，这是基于颜色的应用的一个有用的特征，例如给生物样本、电视或计算机监视器贴标签。
尽管有这些积极的品质，小尺寸的量子点意味着可能需要数十亿美元来完成一个大而完美的单晶的工作。制造这么多量子点意味着更多的机会会错误地增长，更多的机会可能会阻碍业绩。其他测量半导体质量的技术此前曾提出，量子点发射的光吸收超过99%，但这不足以回答有关其潜在缺陷的问题。因此，研究人员需要一种更适合准确评估这些粒子的测量技术。
哈尼菲说：“我们希望测得的发射效率在99.9%到99.999%之间，因为如果半导体可以重新发射它们吸收的每一个光子，那么你就可以做真正有趣的科学，制造出以前不存在的设备。
研究人员的技术包括检查带电量子点产生的多余热量，而不仅仅是评估光发射，因为过热是低效率发射的标志。这项通常用于其他材料的技术，从来没有用这种方法测量过量子点，其精度是过去其他材料的100倍。他们发现，量子点组可靠地发射出其吸收的99.6%的光(任何方向的潜在误差为0.2%)，这相当于最好的单晶发射。
该论文的联合资深作者Salai说：“令人惊讶的是，一个有许多潜在缺陷的薄膜，和你能制造的最完美的半导体一样好。
与担忧相反，结果显示量子点具有惊人的抗缺陷能力。测量技术也是第一个坚定地解决不同量子点结构如何相互比较的方法——具有精确八原子层的特殊涂层材料的量子点发出最快的光，这是一个优秀质量的指标。Alivisatos说，这些点的形状应该指导新发光材料的设计。
全新的技术
这项研究是能源部资助的能源前沿研究中心的一系列项目的一部分，该项目被称为热力学极限光子学。该中心由斯坦福大学材料科学与工程副教授Jennifer Dionne领导，旨在以最高的效率创造光学材料——影响光流的材料。
项目的下一步是开发更精确的测量方法。如果研究人员能够证实这些材料的效率达到或超过99.999%，那么这就开启了我们从未见过的技术的可能性。这些可能包括新的发光染料，以提高我们在原子尺度上观察生物的能力，发光冷却和发光太阳能聚光器，这允许相对较小的太阳能电池组从大面积的太阳辐射中获得能量。这些都表明，他们建立的测量结果是他们自己的里程碑，这可能会使量子点的研究和应用更加直接。
Hanifi说：“十多年来，使用这些量子点材料的人一直认为量子点可以像单晶材料一样高效。“现在我们终于有证据了。”