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天大首次用物理方法取得纳米级别半导体材料

发布时间:2019-10-19 00:22:05 编辑:笔名

4年前实验室人员的一个疏忽,却导致了一个意外发现,最终成就了一个世界首创的工艺。最近,天津大学材料学院量子点材料与器件研究组开发出了环保高效的单分散量子点合成新工艺,成果发表在《NatureCommunications》(《自然通信》)杂志上,这是世界上首次报道用物理方法合成单分散量子点,与化学方法相比更加高效。

论文通讯作者、天津大学材料学院教授杜希文说,当半导体材料直径在几纳米大小时,可表现出许多独特的物理性质。如大家熟知的硅,正常体积下将太阳能转换电能的最高效率为33%,但是当硅的体积为4纳米左右时,效率可以提高到66%。有的材料则能发出特别光,如果在肿瘤的抗体药物上携带纳米级别的发光材料,可以非常准确地标记出肿瘤的位置,为医生判断病情、寻找病灶提供帮助。正是因为这些量子点(又称为半导体纳米晶)具备这样神奇的能力,因此目前是各国科研人员研发的热点。

杜希文说,传统的机械工艺最多能将半导体材料粉碎到微米的程度,体积是纳米级别的上千倍。过去一直通过湿化学方法,利用集中化学物品之间的反应,制得量子点材料。但是这种方法耗时长,少则几个小时多则几天,还会产生大量的污染物,对环境造成负担。

4年前,杜希文教授实验室的一名学生做用激光将金属靶打碎成金属粒的实验。该实验一般只需用激光照射金属靶3分钟左右,但学生中途离开,放任激光照射金属靶达4个多小时。该团队随后发现,金属靶被打成了尺寸为几纳米的金属粒子,这样的结果比以前要理想多了。他们转而把这一“奇怪”现象作为一项研究重点,探索如何利用激光把半导体材料“敲成”纳米大小的均匀颗粒。最终历时4年,在这一领域探索出了合成单分散量子点的物理方法。

利用激光这把“锤子”,科学家们可以根据实际需要“变化”力度,精确控制半导体材料的具体尺寸。

相比湿化学方法,这种世界首创的方法耗时短,一次仅需20多分钟,获得的量子点大小更均匀,表面没有化学药物,非常洁净。杜希文说,预计未来这一工艺可以帮助获得更加廉价的量子点,使其在疾病诊断、水污染检测、光电转换等领域发挥更加显著的作用。

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