新研究揭示了量子点载流子倍增中的自旋

一种开发微小尺度半导体材料的新方法可以帮助推动依赖将光转化为能量的应用。洛斯阿拉莫斯领导的研究小组将磁性掺杂剂融入专门设计的胶体量子点(纳米级半导体晶体)中，并能够实现为太阳能电池技术、光电探测器和依赖光驱动化学反应的应用提供动力的效果。

洛斯阿拉莫斯国家实验室负责人维克多·克里莫夫(VictorKlimov)表示：“在由硒化铅核和硒化镉壳组成的量子点中，锰离子充当微小磁铁，其磁自旋与量子点的核和壳强烈相互作用。”纳米技术团队和该项目的首席研究员。“在这些相互作用的过程中，可以通过翻转锰离子的自旋来将能量转移到锰离子或从锰离子转移出能量，这一过程通常称为自旋交换。”

在自旋交换载流子倍增中，单个吸收光子产生的不是一个而是两个电子空穴对，也称为激子，这是由于受激锰离子的自旋翻转弛豫而产生的。

由于自旋交换相互作用的速率极快，与类似结构的未掺杂量子点相比，磁性掺杂量子点的载流子倍增率提高了三倍。重要的是，在太阳光谱内的光子能量范围内增强尤其大，从而导致了可能的光转换技术应用。

载流子倍增的优点

通常，半导体吸收的光子会在导带中产生电子，并在价带中产生称为“空穴”的空位。该过程是光电二极管、图像传感器和太阳能电池运行的基础，其中产生的电荷载流子被提取为光电流。光生电子和空穴在化学中也很有用，它们可以促进所谓的氧化还原反应，其中涉及电子从一个实体转移到另一个实体。

所有类型的光转换方案都将受益于载流子倍增，这是一个由高能光子触发的过程，产生具有大动能的“热”载流子。然后，通过将价带电子激发到导带，该能量在与价带电子的碰撞中消散。结果，新的电子空穴对被添加到由吸收的光子产生的原始电子空穴对中。

由于与晶格振动(通常称为声子)相互作用导致的竞争性能量损失，载流子倍增在块体固体中效率低下。然而，正如洛斯阿拉莫斯研究人员在2004年首次证明的那样，这种效应在化学合成的胶体量子点中得到了增强。胶体量子点的尺寸非常小，增加了电子-电子碰撞的频率，从而有利于载流子倍增。

然而，即使在量子点中，载流子倍增的效率也不够高，不足以对实际光电转换方案的性能产生明显影响。与块状晶体的情况一样，主要的限制是由于声子的快速发射导致晶格的“非生产性”加热而导致的能量损失。

自旋交换相互作用促进载流子倍增

锰掺杂剂有助于解决快速声子发射的问题。先前的研究证明了自旋交换相互作用的亚皮秒时间尺度(比声子发射更快)，研究人员意识到利用这些相互作用将提高载流子倍增的效率。

“为了实现自旋交换载流子倍增，需要适当设计的量子点，”纳米技术团队的博士后研究员兼光谱学专家ClementLivache说。“这些点的带隙必须小于锰自旋翻转跃迁能量的一半，而且，量子点的自旋结构应该与激发的锰离子的自旋结构相匹配。”

该项目的首席化学家HinJo表示：“含有硒化铅核和硒化镉壳的锰掺杂量子点可以满足能量条件。”“在这些结构中，载流子倍增是通过两个自旋交换步骤发生的。首先，硒化镉壳中吸收的光子产生的电子-空穴对的能量被转移到锰离子。然后，锰离子通过在硒化铅核心中产生两个激子，经历自旋翻转弛豫回到未激发状态。”

自旋交换载流子倍增在需要多次还原和氧化事件的多电子/空穴反应中特别有用。这种情况下的瓶颈之一是连续还原和氧化步骤之间的等待时间。载流子倍增通过产生在时域和空间域中共定位的载流子对(两个电子和两个空穴)来消除这一瓶颈。