洛桑联邦理工学院的研究人员开发出了第一个关于金薄膜光致发光背后的量子力学效应的综合模型;这一发现可能推动太阳能燃料和电池的发展。

几百年来，人们都知道发光(即暴露在光下的物质发射光子)会在硅等半导体材料中发生。电子吸收然后重新发射光时的纳米级行为可以告诉研究人员很多有关半导体特性的信息，这就是为什么它们经常被用作探针来表征电子过程，例如太阳能电池内部发生的电子过程。

1969年，科学家发现所有金属都会在某种程度上发光，但随后的几年未能清楚地了解这种现象是如何发生的。在纳米级温度测绘和光化学应用的推动下，人们对这种光发射重新产生了兴趣，并重新引发了围绕其起源的争论。但直到现在，答案仍不清楚。

该学院能源技术纳米科学实验室(LNET)负责人朱利亚·塔利亚布(GiuliaTagliabue)表示：“我们开发了非常高质量的金属金薄膜，这使我们处于独特的地位，能够阐明这一过程，而不会受到之前实验中的混杂因素的影响。”工程系。

在最近发表在《光：科学与应用》杂志上的一项研究中，塔利亚布和LNET团队将激光束聚焦在极薄(13至113纳米之间)的金膜上，然后分析了由此产生的微弱辉光。

他们精确实验生成的数据是如此详细且如此出人意料，以至于他们与巴塞罗那科学技术学院、南丹麦大学和伦斯勒理工学院(美国)的理论家合作，重新设计和应用量子力学模型方法。

研究人员的综合方法使他们能够解决围绕薄膜发出的发光类型(光致发光)的争论，光致发光是由电子及其带相反电荷的对应物(空穴)响应光的特定行为方式定义的。它还使他们能够在黄金中建立这种现象的第一个完整、完全定量的模型，该模型可以应用于任何金属。

意想不到的量子效应

Tagliabue解释说，该团队使用一种新型合成技术生产的单晶金薄膜，研究了光致发光过程，使金属变得越来越薄。“我们观察到在约40纳米的薄膜中出现了某些量子力学效应，这是出乎意料的，因为通常对于金属来说，直到远低于10纳米时你才会看到这种效应，”她说。

这些观察结果提供了有关金中光致发光过程发生的确切位置的关键空间信息，这是将金属用作探针的先决条件。该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)信号可用于探测材料自身的表面温度，这对于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，关于这些反应发生的原因和条件存在很大争议。温度是一个关键参数，但在纳米尺度测量温度极其困难，因为温度计会影响您的测量。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，”塔利亚布说。

太阳能燃料开发的黄金标准

研究人员相信，他们的发现将使金属能够获得对化学反应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。金和铜等金属(LNET的下一个研究目标)可以引发某些关键反应，例如将二氧化碳(CO2)还原成碳基产品，例如太阳能燃料，这些产品以化学键形式存储太阳能。

“为了应对气候变化，我们需要技术以某种方式将CO2转化为其他有用的化学物质，”该研究的第一作者、LNET博士后艾伦·鲍曼(AlanBowman)说。

“使用金属是做到这一点的一种方法，但如果我们不能很好地了解这些反应如何在其表面发生，那么我们就无法优化它们。发光提供了一种新的方法来了解这些金属中发生的情况”。