Nature Materials：Klimov團隊載流子倍增新突破

• 【導讀】

半導體中的載流子倍增現象是指半導體材料吸收一個高能光子產生多個電子-空穴對。將載流子倍增應用于太陽能電池將大幅降低高能光子的熱損耗，提升太陽光利用率，從而突破Shockley-Queisser極限。然而，在半導體體相材料中，受到平移動量守恒的限制，載流子倍增發生所需光子能量遠大于禁帶寬度，應用價值較低。小尺寸的半導體量子點能夠弱化平移動量守恒的限制，為獲得高效的載流子倍增提供了物質基礎。Klimov團隊一直以來對半導體量子點中的載流子倍增有著深入且廣泛的研究。

• 【成果掠影】

近日，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Klimov團隊在Nature Materials上發表了新的研究論文，在Mn²⁺摻雜的PbSe@CdSe核殼結構量子點中，利用Mn²⁺作為自旋交換中間體，成功獲得了高效的載流子倍增效應。在本項研究中，作者通過擴散摻雜和陽離子交換的手段合成了Mn²⁺摻雜的PbSe@CdSe核殼結構量子點，其中Mn²⁺主要分布在核殼界面處。當量子點被光激發后，CdSe殼層中所產生的激子能量會快速傳遞給Mn²⁺離子，產生激發態的Mn²⁺離子（⁶A₁→⁴T_m，m=1，2）并伴隨著Mn²⁺離子d軌道電子自旋的翻轉。隨后，由于Mn²⁺的⁴T_m→⁶A₁躍遷為禁戒躍遷且其對應能量是核心量子點PbSe禁帶寬度的兩倍以上，激發態Mn²⁺將優先將能量傳遞給核心PbSe量子點并產生自旋分別為0和1的兩個激子，整個過程能量和自旋守恒，從而有助于促進載流子倍增效率大幅提升。作者利用瞬態發射光譜和瞬態吸收光譜對該體系的載流子倍增效應進行了系統的表征，實驗結果表明，未摻雜的參比樣品PbSe@CdSe，在入射光子能量hv_ph為禁帶寬度E_g的3.8倍時的雙激子產生效率為48%，而Mn²⁺摻雜的樣品在較低的光子入射能量下（入射光子能量為E_g的3.7倍）就可以獲得高達75%的雙激子效率。在更低的入射光子能量下（hv_ph=2.6E_g），Mn²⁺摻雜樣品的雙激子產生率仍可達到48%，而未摻雜樣品僅為14%。

相關研究文章以“Spin-exchange carrier multiplication in manganese-doped colloidal quantum dots”為題發表在Nature Materials上。

• 【核心創新點】

在能量守恒和自旋守恒原理的指導下，通過巧妙的材料結構設計，引入Mn²⁺作為自旋交換相互作用的中間體，成功提升了載流子倍增的效率。

• 【數據概覽】

圖1.?未摻雜的參比CdSe量子點和Mn摻雜的CdSe量子點的俄歇復合和碰撞電離。?2023 The Authors

圖2.?自旋交換輔助的載流子倍增。?2023 The Authors

圖3.?未摻雜的PbSe@CdSe量子點和Mn²⁺摻雜的PbSe@CdSe量子點的載流子倍增效應表征。?2023 The Authors

圖4.?未摻雜量子點和Mn²⁺摻雜量子點的載流子倍增效率的比較。?2023 The Authors

圖5.?摻雜離子Mn和PbSe核心量子點間的輻射自旋耦合??2023 The Authors

• 【成果啟示】

本項研究基于普適的科學原理結合巧妙的結構設計，在載流子倍增的研究上取得了突破性的進展。未來的研究重點之一是將本項研究所獲材料與太陽能電池相結合，全面評估載流子倍增效應在實際應用中的表現。

原文詳情：Ho Jin, Clément Livache, Whi Dong Kim, Benjamin T. Diroll, Richard D. Schaller, Victor I. Klimov, Spin-exchange carrier multiplication in manganese-doped colloidal quantum dots, Nature Materials, 2023.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-023-01598-x

本文由NSCD供稿。 ???