วัสดุ perovskite อินทรีย์และอนินทรีย์มักมีการศึกษาในบริบทของการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์และอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์อื่น ๆ ตอนนี้นักวิจัยจากสถาบันเซมิคอนดักเตอร์ที่สถาบันวิทยาศาสตร์จีนในกรุงปักกิ่งได้แสดงให้เห็นว่าวัสดุไฮไลด์แบบไฮบริดเหล่านี้อาจเป็นแพลตฟอร์มในอุดมคติสำหรับการควบแน่นของ exciton ของ Bose–Einstein (คู่อิเล็กตรอน – รู) คอนเดนเสทดังกล่าวซึ่งปรากฏเป็นรูปแบบกระแสน้ำวน
สามารถผลิตได้ที่อุณหภูมิไนโตรเจนเหลวอ่อนตัว
ในเชิงบวกตามมาตรฐานของสนาม – ต้องขอบคุณอายุการใช้งานที่ยาวนานของ exciton ในวัสดุและพลังงานยึดเหนี่ยวมหาศาล การควบแน่นของโบส–ไอน์สไตน์ (BEC) เกิดขึ้นเมื่ออะตอมหรืออนุภาคโบโซนิกทั้งหมดในแก๊สยุบตัวลงสู่สถานะพื้นควอนตัมเดียวกัน ดังนั้นจึงสามารถอธิบายได้ด้วยฟังก์ชันคลื่นเดียวกัน การยุบตัวดังกล่าวเกิดขึ้นจากการทำให้แก๊สเย็นลงจนกระทั่งความยาวคลื่นของอะตอมหรืออนุภาคของเดอ บรอกลีนั้นเทียบได้กับระยะห่างระหว่างพวกมัน เมื่ออยู่ในสถานะนี้ อะตอมหรืออนุภาคจะทำหน้าที่เป็น superfluid ไหลโดยไม่มีแรงเสียดทาน
Exciton BECs นักวิจัยสร้าง BEC ครั้งแรกในปี 2538 จากอะตอมของรูบิเดียม ตั้งแต่นั้นมา คอนเดนเสทก็ถูกสังเกตพบในอนุภาคประเภทอื่นๆ รวมทั้งโพลาริตัน โฟตอนและแมกนอน เช่นเดียวกับอะตอมและโมเลกุลชนิดอื่นๆ อย่างไรก็ตาม ในทุกกรณี ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำพิเศษไม่เกินสองสามเคลวินเหนือศูนย์สัมบูรณ์
เพื่อให้ BEC ง่ายต่อการศึกษาและอาจนำคุณสมบัติที่น่าทึ่งของพวกเขาไปใช้จริง – นักวิจัยได้พยายามเพิ่มอุณหภูมิที่เกิดขึ้นเป็นเวลานาน วิธีหนึ่งในการทำเช่นนี้อาจเป็นการสร้าง BEC โดยใช้ excitons ซึ่งเป็นโบซอนที่ประกอบด้วยสถานะที่ถูกผูกไว้ของเฟอร์มิออนสองตัว: อิเล็กตรอนที่มีประจุลบและรูที่มีประจุบวก หรือตำแหน่งว่างของอิเล็กตรอน เฟอร์มิออนเหล่านี้ถูกผูกไว้ด้วยกันผ่านปฏิกิริยาของคูลอมบ์ที่อ่อนแอซึ่งทำให้พวกมันก่อตัวเป็นไดโพล เนื่องจากสถานะที่ถูกผูกมัดเหล่านี้มีน้ำหนักเบากว่าอะตอมมาก จึงสามารถบรรจุด้วยความหนาแน่นที่สูงกว่าได้ ซึ่งหมายความว่า Bose ควรควบแน่นที่อุณหภูมิสูงกว่ามาก
อย่างน้อยก็คือทฤษฎี น่าเสียดายที่ความพยายามครั้งก่อน
ในการสร้าง BEC ที่กระตุ้นด้วยความตื่นเต้น เช่น ในบ่อเซมิคอนดักเตอร์และกราฟีน ทำได้สำเร็จเพียงที่อุณหภูมิต่ำอย่างน่าผิดหวังที่ประมาณ 1 K เนื่องจากพลังงานจับตัวของ exciton เพียงเล็กน้อยในระบบวัสดุเหล่านี้
การคำนวณพลังงานจับของ excitonในงานใหม่ของพวกเขา นักวิจัยที่นำโดยKai Changได้ศึกษา perovskite ลูกผสม 2 มิติที่มีสูตรทางเคมี (PEA ) 2 PbI 4 โดยทั่วไปแล้ว Perovskites เป็นวัสดุเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางเนื่องจากสามารถดูดซับแสงในช่วงความยาวคลื่นสเปกตรัมแสงอาทิตย์ได้หลากหลาย อิเล็กตรอนและรูพรุนก็มีอายุการใช้งานยาวนานในวัสดุเหล่านี้เช่นกัน (กล่าวคือ พวกมันสามารถแพร่กระจายผ่านวัสดุในระยะเวลาอันยาวนาน) และนี่คือคุณสมบัติที่ Chang และเพื่อนร่วมงานให้ความสำคัญ
perovskite ที่ทีมเลือกมีโครงสร้างชั้นที่มั่นคงซึ่งประกอบด้วยชั้นของ [PbI 6 ] 4− octahedra และโมเลกุลอินทรีย์สายยาวที่มีสูตร C 6 H 5 C 2 H 4 NH 3 + (ตัวย่อ PEA+) ชั้น PbI 4 ที่เป็นอนินทรีย์ ถูกประกบระหว่างชั้นอินทรีย์ 2 ชั้น และมีอุปสรรคที่อาจเกิดขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพด้วยพลังงาน 8.1 eV นักวิจัยอธิบาย อุปสรรคเหล่านี้ทำให้ (PEA) 2 PbI 4 ทำตัวเหมือนหลุมควอนตัมซ้อนกันที่ถูกกักขังโดยศักยภาพพลังงาน “ผนังแข็ง”
นักวิจัยได้คำนวณพลังงานยึดเหนี่ยวที่สูงถึง 238.5 meV สำหรับ excitons ใน monolayer (PEA) 2 PbI 4โดยใช้การคำนวณหลักการแรกและกรอบทฤษฎีที่เรียกว่าแบบจำลอง Keldysh ซึ่งเป็นค่าที่สอดคล้องกับที่ได้จากการทดลองในห้องปฏิบัติการ “แบบจำลอง Keldysh เป็นวิธีการรักษามาตรฐานสำหรับการอธิบายสาร exciton แบบ 2 มิติด้วยปฏิกิริยาของ Coulomb ที่ ‘ไม่ได้คัดกรอง’ และพลังงานการจับตัวของ exciton ขนาดใหญ่ที่เราคำนวณได้หมายความว่าอุณหภูมิวิกฤตของ exciton BEC สามารถเข้าใกล้ระบอบไนโตรเจนเหลว (77 K)”
สมาชิกในทีมDong ZhangบอกPhysics World
รูปแบบกระแสน้ำวนนักวิจัยศึกษาสะเก็ดของ (PEA) 2 PbI 4เพิ่มเติมโดยใช้สนามไฟฟ้าตั้งฉากกับพวกมัน จากสิ่งนี้ พวกเขาพบว่าสนามที่ใช้เปลี่ยนพลังงานยึดเหนี่ยวของวัสดุเล็กน้อย ในขณะเดียวกันก็ทำให้ไดโพลของอิเล็กตรอน-โฮลทั้งหมดเรียงตัวไปในทิศทางเดียวกัน ในสถานการณ์เช่นนี้ ปฏิกิริยาระหว่างไดโพลจะกลายเป็นสิ่งที่น่ารังเกียจ
การควบแน่นของ Exciton ทำลายสถิติอุณหภูมิใหม่จากนั้นเมื่อนักวิจัย “สูบ” สะเก็ดของ (PEA) 2 PbI 4โดยใช้พัลส์จากเลเซอร์ พวกเขาพบว่าปฏิกิริยาไดโพลกับไดโพลที่น่ารังเกียจที่สร้างขึ้นโดยสนามไฟฟ้าตั้งฉากสามารถขับ exciton ที่ถูกจำกัดด้านข้างให้เป็นรูปแบบน้ำวนต่างๆ เวลาที่ใช้ในการวิวัฒนาการของกระแสน้ำวนเหล่านี้เท่ากับอายุขัยของ exciton และผลที่ได้คือรูปแบบที่มั่นคงโดยมีกระแสน้ำวนจำนวนหนึ่งหมุนอยู่ตรงกลาง
สมาชิกของทีมที่รายงานงานของพวกเขาในChinese Physics Lettersกล่าวว่าตอนนี้พวกเขาวางแผนที่จะศึกษา exciton BEC ใน perovskites ไฮบริดแบบไม่กี่ชั้นซึ่งต่างจากการศึกษาแบบ monolayer “เราจะดูวิธีจัดการกับกระแสน้ำวน exciton และสร้างอุปกรณ์ porotype ที่เก็บข้อมูลตามกระแสน้ำวน” นาย Zhang กล่าว
เพื่อให้เห็นภาพ (และอธิบายลักษณะเฉพาะ) ของโครงสร้างได้ดีขึ้น นักวิจัยได้ใส่อนุภาคนาโนทองคำขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 นาโนเมตรลงใน “กรง” ทรงแปดเหลี่ยมแต่ละอัน โดยที่อนุภาคถูกยึดไว้โดยโครงสร้างที่ทำจากดีเอ็นเอที่ประกอบกับเส้นใยด้านในของ กรอบ. จากนั้นนักวิจัยได้ประกอบกรงเป็นเหลี่ยม superlattice แบบเรียบง่ายของ octahedra ที่ทำจากเฟรมสองคู่และได้รับการออกแบบให้มีเส้นดีเอ็นเอเฉพาะเจาะจงโดยกำหนดเป้าหมายไปยังคู่หูเสริมสี่คู่ในระนาบและอีก 2 คู่ที่อยู่นอกระนาบ ตัวอย่าง superlattice ที่ได้นั้นเป็นสะเก็ดยาว 5-10 ไมครอนและหนา 1-3 ไมครอนและนักวิจัยได้ใช้การกระเจิงของรังสีเอกซ์ในมุมเล็ก ๆที่แหล่งกำเนิดแสงซิงโครตรอนแห่งชาติ Brookhaven IIเพื่อยืนยันโครงสร้างระดับนาโนของพวกเขา
สถาปัตยกรรม 3D ที่ทนทานทางกลไก
จากนั้นทีมงานได้ทำให้วงดนตรีของพวกเขาแข็งตัวโดยใช้เทคนิคเคมีแบบเปียกเพื่อเคลือบโครงข่าย DNA ด้วยชั้นของซิลิกอนไดออกไซด์ “ในรูปแบบดั้งเดิม DNA ไม่สามารถใช้งานได้อย่างสมบูรณ์สำหรับการประมวลผลด้วยวิธีนาโนเทคโนโลยีทั่วไป” Gang อธิบาย “แต่เมื่อเราเคลือบ DNA ด้วยซิลิกา เราก็มีสถาปัตยกรรม 3 มิติที่ทนทานทางกลไก ซึ่งเราสามารถฝากวัสดุอนินทรีย์โดยใช้วิธีการเหล่านี้ ซึ่งคล้ายกับการผลิตนาโนแบบดั้งเดิม ซึ่งวัสดุที่มีค่าจะถูกวางลงบนพื้นผิวเรียบ ซึ่งโดยทั่วไปคือซิลิคอน เพื่อเพิ่มฟังก์ชันการทำงาน”
Credit : brewguitarduo.com buckeyecountry.net buickturboperformance.com bushpain.com capemadefieldguide.org
