对金薄膜的新研究揭示了新的光致发光行为，促进了我们对纳米级化学反应和温度测量的理解。这一突破加强了金属在能源研究中的应用，并提供了探测对太阳能燃料开发至关重要的表面过程的新方法。来源:SciTechDaily.com
EPFL的研究人员创建了第一个详细的模型，解释了在金薄膜中引起光致发光的量子力学效应，这一突破可能会推动太阳能燃料和电池的发展。
长期以来，人们在硅等半导体材料中观察到发光现象，即物质暴露于光中时发出光子的过程。这种现象涉及到纳米级的电子吸收光并随后将其重新发射。这种行为为研究人员提供了对半导体特性的宝贵见解，使其成为探测电子过程(如太阳能电池中的电子过程)的有用工具。
1969年，科学家们发现所有的金属都在某种程度上发光，但在这之后的几年里，人们对这种现象是如何发生的并没有清晰的认识。在纳米尺度温度成像和光化学应用的推动下，人们对这种光发射重新燃起了兴趣，并重新点燃了围绕其起源的争论。但直到现在，答案仍然不清楚。
工程学院能源技术纳米科学实验室(LNET)主任Giulia Tagliabue说:“我们开发了非常高质量的金属金薄膜，这使我们处于一个独特的位置，可以阐明这一过程，而不会受到以前实验的干扰。”
在最近发表在《光:科学与应用》上的一项研究中，Tagliabue和LNET团队将激光聚焦在极薄的(介于13到113纳米之间)金薄膜上，然后分析了由此产生的微弱光芒。从他们精确的实验中产生的数据是如此详细，如此出人意料，以至于他们与巴塞罗那科技学院、南丹麦大学和伦斯勒理工学院(美国)的理论家合作，重新设计并应用量子力学建模方法。
研究人员的综合方法使他们解决了围绕薄膜发出的发光类型的争论-光致发光-这是由电子及其相反带电的对应物(空穴)响应光的特定方式定义的。这也使他们能够在黄金中产生第一个完整的、完全定量的这种现象模型，这种模型可以应用于任何金属。
意想不到的量子效应
Tagliabue解释说，使用一种新的合成技术生产的单晶金薄膜，研究小组研究了光致发光过程，因为他们使金属越来越薄。她说:“我们观察到某些量子力学效应出现在高达40纳米的薄膜中，这是出乎意料的，因为通常对于金属来说，直到远低于10纳米，你才会看到这种效应。”
这些观察结果提供了关于金中光致发光过程发生的确切位置的关键空间信息，这是金属用作探针的先决条件。这项研究的另一个意想不到的结果是发现金的光致发光(斯托克斯)信号可以用来探测材料本身的表面温度——这对在纳米尺度上工作的科学家来说是一个福音。
“对于金属表面的许多化学反应，为什么以及在什么条件下发生这些反应存在很大的争论。温度是一个关键参数，但是在纳米尺度上测量温度是极其困难的，因为温度计会影响你的测量结果。因此，能够使用材料本身作为探针来探测材料是一个巨大的优势，”Tagliabue说。
太阳能燃料开发的黄金标准
研究人员相信，他们的发现将允许利用金属来获得对化学反应的前所未有的详细了解，特别是那些涉及能源研究的化学反应。像金和铜这样的金属——LNET的下一个研究目标——可以触发某些关键的反应，比如将二氧化碳还原成碳基产品，比如太阳能燃料，这种产品将太阳能储存在化学键中。
该研究的第一作者、LNET博士后艾伦·鲍曼(Alan Bowman)说:“为了应对气候变化，我们需要技术将二氧化碳以某种方式转化为其他有用的化学物质。”
“使用金属是一种方法，但如果我们不能很好地了解这些反应是如何在它们的表面上发生的，那么我们就无法优化它们。发光为了解这些金属中发生的事情提供了一种新的方法。”
参考文献:“光致发光中的量子力学效应”，作者:Alan R. Bowman, Alvaro Rodríguez Echarri, Fatemeh Kiani, Fadil Iyikanat, Ted V. Tsoulos, Joel D. Cox, Ravishankar Sundararaman, F. Javier García de Abajo和Giulia Tagliabue, 2024年4月19日，光:科学与应用。DOI: 10.1038 / s41377 - 024 - 01408 - 2
