纳米材料的量子效应

“纳米材料的量子效应”研究报告

目录

目录 (2)

概念 (3)

定义： (3)

举例： (3)

应用 (3)

理论应用： (3)

BCS理论 (3)

量子霍尔效应 (5)

实际应用： (6)

IMEC开发的硅纳米线太阳能电池利用量子效应使转换效率达30％以上 (6)

研究前沿动态： (8)

总结与个人观点： (13)

概念

定义：

一维势阱模型中，粒子运动范围越小，能级差就越大，从这一规律定性地更复杂的三维体系就不难理解：普通金属费米能级附近的准连续能级在纳米颗粒中会变为离散能级，而半导体中本来存在的窄能障在纳米颗粒中会变宽，当这种能级差大于热能，电场能或者磁场能时，就会呈现出与宏观物体不同的反常特性，即量子尺寸效应。

举例：

金属在超微颗粒时可变为绝缘体，磁矩大小与颗粒中电子数的奇偶有关，光谱线向短波移动，等等。

应用

理论应用：

BCS理论

BCS 理论是解释常规超导体的超导电性的微观理论（所以也常意译为超导的微观理论）。该理论以其发明者约翰·巴丁（John Bardeen）、利昂·库珀（L.V.Cooper）和约翰·罗伯特·施里弗（J.R.Schrieffer）的名字首字母命名。

某些金属在极低的温度下，其电阻会完全消失，电流可以在其间无损耗的流动，这种现象称为超导。超导现象于1911年发现，但直到1957年，巴丁、库珀和施里弗提出BCS理论，其微观机理才得到一个令人满意的解释。BCS理论把超导现象看作一种宏观量子效应。它提出，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓“库珀对”，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。在BCS理论提出的同时，尼科莱·勃格留波夫（Nikolai Bogoliubov）也独立的提出了超导电性的量子力学解释，他使用的勃格留波夫变换至今为人常用。

电子间的直接相互作用是相互排斥的库伦力。如果仅仅存在库伦力直接作用的话，电子不能形成配对。但电子间还存在以晶格振动（声子）为媒介的间接相互作用：电声子交互作用。电子间的这种相互作用是相互吸引的，正是这种吸引作用导致了“库珀对”的产生。大致上，其机理如下：电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。

量子霍尔效应

量子霍尔效应，一般被看作是整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的统称。

整数量子霍尔效应被马普所的德国物理学家冯·克利青发现。他因此=获得1985年诺贝尔物理学奖。[1]分数量子霍尔效应被崔琦、施特默和赫萨德（A. C. Gossard）发现[2]，前两者因此与劳赫林（Robert Betts Laughlin）分享1998年诺贝尔物理学奖。

整数量子霍尔效应最初在高磁场下的二维电子气中被观测到；分数量子霍尔效应通常在迁移率更高的二维电子气下才能被观测到。

重要意义

整数量子霍尔效应：量子化电导e2/h被观测到,为弹道输运(ballistic transport)这一重要概念提供了实验支持。

分数量子霍尔效应：劳赫林与J·K·珍解释了它的起源[3][4]。两人的工作揭示了涡旋(vortex)和准粒子(quasi-particle)在凝聚态物理学中的重要性。

研究前景

整数量子霍尔效应的机制已经基本清楚，而仍有一些科学家，如冯·克利青和纽约州立大学石溪分校的V·J·Goldman，还在做一些分数量子效应的研究。

Graphene中的量子霍尔效应与一般的量子霍尔行为大不相同，称为反常量子霍尔效应(Anomalous Quantum Hall Effect)。

此外，Hirsh[5]、张守晟[6]等提出自旋量子霍尔效应的概念,与之相关的实验正在吸引越来越多的关注。

实际应用：

IMEC开发的硅纳米线太阳能电池利用量子效应使转换效率达30％以上

在太阳能电池领域，瞄准下下代太阳能电池的各种构想不断涌现。其中一种设想是在底板上排列细线状的硅（硅纳米线）。包括美国通用电气（General Electric）在内，目前世界各地都在进行开发。

大多数的开发者的开发目的在于通过制成线状减少硅用量从而降低成本，以及利用密布的硅纳米线减少光反射。

与此相比，比利时IMEC的目的则在于利用硅纳米线的量子效应。在2009年11月9日于东京举行的“IMEC Executive Seminar”上，IMEC光伏业务总监Jef Poortmans 介绍了硅纳米线太阳能电池的开发现状。

IMEC的目标是实现在硅底板上形成硅纳米线的太阳能

电池。硅底板的带隙为1.1eV，而利用量子效应的硅纳米线为1.7～1.8eV。组合带隙不同的硅底板和硅纳米线，可期待提高效率。Poortmans表示：“如果这一设想能够实现，转换效率将达到约33％”。

目前，IMEC正在尝试试制适于太阳能电池的硅纳米线。要实现1.7～1.8eV的带隙，硅纳米线的直径需要降至2～

4nm。为形成这种极细的硅纳米线，IMEC采用了为制造新一代半导体而开发的EUV曝光。

不过，即使采用EUV曝光和蚀刻，也只能形成直径为40～65nm的硅纳米线。因此，对直径为40～65nm的硅纳米线进行氧化之后，利用HF气体去除氧化部分使其进一步变细。目前，利用这种方法获得了直径为8～25nm左右的硅纳米线。作为其他目标的硅纳米线间距（90nm）和长度（500nm）在EUV曝光和蚀刻时得以实现。

今后将利用EUV曝光和蚀刻将直径减至30nm，然后利用氧化和HF气体将直径减至3nm。获得适用于太阳能电池的直径3nm硅纳米线之后，将进一步确认太阳能电池的特性。

为了利用量子效应实现硅纳米线，不仅要对线进行微细化，还要开发取代EUV曝光的低成本制造方法。对于研制下下代太阳能电池，还需要进一步的技术创新。

研究前沿动态：

Unique Quantum Effect Found in Silicon Nanocrystals July 24, 2007

Researchers at the U.S. Department of Energy’s National Renewable Energy Laboratory, collaborating with Innovalight, Inc., have shown that a new and important effect called Multiple Exciton Generation (MEG) occurs efficiently in silicon nanocrystals. MEG results in the formation of more than one electron per absorbed photon.

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Photovoltaics Research - Thin Film PV and Batteries 2009-29 New Market report from IDTechEx -

https://www.360docs.net/doc/115983080.html,/pv

Silicon is the dominant semiconductor material used in present day solar cells, representing more than 93 percent of the photovoltaic cell market.

Until this discovery, MEG had been reported over the past two years to occur only in nanocrystals (also called quantum dots) of semiconductor materials that are not presently used in commercial solar cells, and which contained environmentally harmful materials (such as lead).

The new result opens the door to the potential application of MEG for greatly enhancing the conversion efficiency of solar cells based on silicon because more of the sun’s energy is converted to electricity. This is a key step toward making solar energy more

cost-competitive with conventional power sources.

In a paper published on July 24 in the initial on-line version of the Amer ican Chemical Society’s Nano Letters Journal, an NREL team reported that silicon nanocrystals, or quantum dots, obtained from Innovalight can produce more than one electron from single photons of sunlight that have wavelengths less

than 420 nm. When today’s photovoltaic solar cells absorb a photon of sunlight, about 50 percent of the incident energy is lost as heat. MEG provides a way to convert some of this energy lost as heat into additional electricity.

The silicon nanocrystals produced by Innovalight, Inc., a thin-film solar cell developer based in Santa Clara, California, were studied at NREL as part of a collaboration between NREL and Innovalight scientists. The NREL team consisted of Matthew C. Beard, Kelly P. Knutsen, Joseph M. Luther, Qing Song, Wyatt Metzger, Randy J. Ellingson and Arthur J. Nozik.

The findings represent an important extension of the range of semiconductor materials that exhibit MEG and are a further confirmation of pioneering work by Nozik, who in 1997 predicted that semiconductor quantum dots could exhibit efficient electron multiplication and hence increase the efficiency of solar cells.

To date, all experiments showing the production of more than one electron per absorbed photon have been based on various types of optical spectroscopy. In a solar

cell device it is necessary to extract the electrons produced in the quantum dots and pass them through an external circuit to generate electrical power. Such experiments are currently underway at NREL, Innovalight and other laboratories to demonstrate that MEG can indeed lead to enhanced solar cell efficiencies. Calculations at NREL by Mark Hanna and Nozik have shown that the maximum theoretical efficiency of quantum dot solar cells exhibiting optimal MEG is about 44 percent with normal unconcentrated sunlight and 68 percent with sunlight concentrated by a factor of 500 with special lenses or mirrors. Today’s conventional solar cells that produce one electron per photon have maximum efficiencies of 33 percent and 40 percent, respectively, under the same solar conditions.

In addition to efficiently extracting the electrons from the quantum dots in solar cells, future research is directed toward producing MEG at wavelengths that have a greater overlap with the solar spectrum, as well as producing a much sharper onset of the MEG processes with decreasing wavelength of the photons.

Source: NREL

（译文：

《纳米快报》：科学家在硅纳米晶体中发现独特的量子效应美国能源部的可更新能源国家实验室（NREL）的科学家们与Innovalight公司合作，在硅纳米晶体中发现了一种叫做多重激子产生（MEG）的重要效应。MEG效应会导致每吸收一个光子形成多于一个的电子。他们的结果发表在7月24日的《纳米快报》(Nano Letters Journal)在线版上。

硅是目前太阳能电池中使用的主要半导体材料，目前有93%的太阳能电池使用硅。

直到这个发现以前，在过去两年的报道里，MEG现象只发生在目前没有在商用太阳能电池中使用的半导体材料纳米晶体（也叫做量子点）中，并且这些材料含有对环境有害的物质（比如铅）。

这项新成果使利用MEG现象大大提高现有的基于硅的太阳能电池的转换效率成为可能。这是使太阳能与传统能源相比更有竞争力的关键因素。

在文章中，NREL的科学家们报道使用Innovalight公司提供的硅纳米晶体（量子点），能够从波长短于420nm的阳光中平均每一个光子产生多于一个的电子。而现在的光电池吸收一个阳光光子后，50%的入射能量会损失为热能。MEG提供了

一个把这些损失的能量转换为额外的电能的机会。

目前NREL和Innovalight的研究人员在进一步地实验来证明利用MEG确实能够提高光电池的转换效率。根据NREL的科学家们的理论计算，利用MEG能够得到的最大光电转换效率为44%（使用普通的日光）和68%（使用特殊的透镜或反射镜集中了500倍的日光）。）

总结与个人观点：

在微观数量级中，纳米级的物质由于原子能级差的变化，显示出与宏观物体大相径庭甚至截然相反的性质，从而成为当下科学家研究和好奇的重要领域。在已经发现的纳米物体的性质中，纳米的量子效应不可不说是一个重要的方面。自从普朗克提出量子理论以来，无数科学家都在量子学，这一现代物理学极其重要的领域耕耘过，探索过。而在纳米领域，量子学中的一些美妙的规律定理同样成立，从而有了一些令人好奇的反常现象，纳米级的材料强度增大数倍，纳米超导，等等。这些纳米的量子效应的结果，令人不禁对纳米技术的美好前景憧憬万分。

然而，我也意识到了，仅仅从量子效应这一狭小的层面来预言人类科学的发展，毫无疑问是狭隘的，科学的发展是所有的学科，所有的专业，所有的领域共同飞跃而在宏观上产生的结果；而人类的发展也是科学、技术、社会、政治、

经济、哲学等领域不断前进而在整个世界范围的进步。管中可窥豹，无论是做科研还是其他职业，视野都不可过于狭隘，应站在全人类发展的角度来看待自己所从事的工作，这样既能保持清醒而谨慎的头脑，又会有明确的目标，从而避免了迷失在技术或科学的汪洋大海中。

因此，在本次论文的写作中，我觉得仅仅了解并掌握了纳米量子效应的有关知识并非唯一目的，对科学的思维与研究方法有所感悟和学习才是重点，另外，从这一知识的发展与探索过程中，得到有关理性的科学观和世界观的知识就会更加丰富我们的收获。