薄膜太陽能電池板、你手中的手機和家里的LED燈泡都是用地球上最稀有、最昂貴的一些元素制成。包括密歇根大學(xué)研究人員在內(nèi)的一個國際團隊已經(jīng)設(shè)計出一種方法，用更便宜、更豐富的元素制造出這種光電子材料。

這些化合物還可以被“調(diào)諧”，以有效地從太陽光譜中不同波長的光中獲取電能，并產(chǎn)生我們喜歡在照明中使用顏色的波范圍。只有特定種類的化合物（兩種或兩種以上元素的組合）才能被用來制造高效發(fā)光或集電的電子設(shè)備。

如果你還記得在小學(xué)化學(xué)課上，元素周期表上的每一列都被認為是一組元素。例如，第三類包括銦和鎵等元素——這兩種相對稀缺的元素目前都是光和電結(jié)合應(yīng)用的基礎(chǔ)。問題是，這些化合物中含有的元素通常只在世界各地的少數(shù)幾個地方發(fā)現(xiàn)。領(lǐng)導(dǎo)U-M項目的物理學(xué)家羅伊克拉克(Roy Clarke)說：事實上，我們正面臨著耗盡其中一些元素的危險，因為它們不容易回收，而且供應(yīng)有限，對技術(shù)而言，依賴可能在10至20年內(nèi)耗盡的東西是不可行的。

研究小組找到了一種方法，將列括號組中的兩種常見元素組合在一起，制成一種由II、IV和v組元素組成的新型化合物。這種II-IV- v化合物可以取代通常在具有相似性能的III- v光電材料中的稀有元素，比III- v光電材料豐富得多，而且價格便宜得多。這種由鋅、錫和氮組成的新化合物既能吸收太陽能，又能吸收光，因此它可以用于薄膜太陽能電池板，也可以用于LED燈泡、手機屏幕和電視顯示屏。用鎂代替鋅可以進一步將材料延伸到藍光和紫外光中。

這兩種化合物都是“可調(diào)的”——也就是說，當(dāng)研究人員培育出兩種化合物中的任何一種化合物晶體時，元素排列方式都可以使材料對特定波長的光敏感。這種可調(diào)諧性是需要的，因為它允許研究人員調(diào)整材料，以響應(yīng)最廣泛的波長光。這對于發(fā)光二極管尤其重要，這樣器件設(shè)計者就可以選擇所產(chǎn)生光的顏色。當(dāng)你給家里或辦公室照明時，你希望能夠調(diào)節(jié)光線的溫暖度，經(jīng)常模仿自然光線，這些新的II-IV-V化合物將讓我們能夠做到這一點，研究人員使用一種叫做分子束外延(MBE)的技術(shù)。

在正確條件下生產(chǎn)所需的化合物，從而制作出原子有序度受到嚴格控制的薄膜。MBE將化合物的每一層原子都以一種系統(tǒng)方式排列起來，這樣研究人員就可以在生長過程中研究薄膜結(jié)構(gòu)。研究的下一階段，將推動各種裝置的設(shè)計建造，要求對這種材料族的電子響應(yīng)進行詳細研究，并對利用其通用性的各種納米尺度結(jié)構(gòu)進行測試。研究小組還包括來自法國洛林大學(xué)和新西蘭坎特伯雷大學(xué)的成員，其研究成果發(fā)表在《物理評論快報》上。

博科園｜研究/來自：密歇根大學(xué)

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.256403

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