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一种新式材料介面 可望提升太阳能电池效率

2014年04月21日

科学家们利用德国大型粒子物理学研究机构──DeutschesElektronen-Synchrotron(DESY)的光源研究成果,进一步掌握了两种可能的新材料介面特性,透过结合这两种材料介面所产生的特性,可望使其用于打造出更高性能的太阳能电池、新颖超导体以及更小的硬碟。

这项发表于《Nature Communications》科学期刊中的研究,有助于研究人员们瞭解可能产生全新特性的两项新材料介面。透过由新加坡国立大学教授AndrivoRusydi以及德国汉堡自由电子雷射科学中心(CFEL)教授MichaelRbhausen为主导的研究团队及其研究成果,有效解决了在凝态物理学中长久以来存在的一个谜团。CFELDESY、德国汉堡大学以及马克斯普朗克学会(MPI)的合作单位。

多数的电子会在LaAlO3子层重新分布

“介面是材料研究领域的热门话题,”Rusydi说,“如果把两种不同材料放一起,就可以产生全新的特性。例如,两种绝缘体与非磁性材料可在其介面上形成金属与磁性特质。”汉堡大学教授MichaelRbhausen解释说,这两种材料特性发生变化的原因在于介面的对称结构遭被破坏,“两种材料具有不同的特性与不同的结构,如果你把他们放在一起,他们彼此之间就必须有所妥协以及重新安排,从而产生新的特性。”

大多数的电子会在LaAlO3子层重新分布

左:如果铝酸镧层(蓝色)少于3个单位电池,电子重新分布于子层。右:如果该层有4个以上的单位电池,部份电子则迁移至介面上。(来源:汉堡大学教授MichaelRbhausen)

例如,利用这些现象就能带来更小的硬碟。“传统的硬碟是由该材料的整体物理特性所控制,为了实现微型化,我们必须透过介面结构来控制其物理特性,”Rusydi说,“但问题是我们还无法完全明白在介面上所发生的变化。”

因此,该研究团队研究钛酸锶(SrTiO3)和铝酸镧(LaAlO3)这两种会在介面处变成绝缘材料的介面。“然而,根据Maxwell理论,应该能观察到10倍以上的导电率。因此,90%的电荷载子与电子都消失了。这对我们来说完全是个谜,”Rusydi说。

为了寻找“消失的电子”,科学家们利用DESY的同步辐射光源DORISIII,在更广泛的超紫外线能量范围以泛光照亮两种材料介面。Rusydi解释,“材料中的所有电子就像小型天线一样以不同的波长回应电磁辐射。”这种以特定波长实现同步辐射的吸收作用,揭示相应电子的能量状态及其于晶格中的藏身之处。

根据研究结果显示,只有一小部份的电子实际迁移至介面,形成一个导电层。大多数的电子则重新分布于LaAlO3子层,这是用以往的研究方式所无法发现的。此外,科学家们还观察到电子从晶格转换到介面上,主要取决于晶格上LaAlO3单位电池的数量。一个单位电池是晶体的最小单位,这表示晶体可用许多一致的单位电池来表示。如果LaAlO3层厚度小于3个单位电池,所有的电子在LaAlO3子层重新分布,完全没有任何电子再迁移至介面时,使其仍维持绝缘特性。

这就是为什么充份展现介面特性时需要不只一层的LaAlO3Rusydi解释,“如果只有一部份的电子迁移至介面,你需要更大量的电子来弥补对称损失。”透过这项研究结果,科学家们现在更加瞭解这些材料及其介面特性了。“原则上,我们的实验技术可以用于研究任何介面,”Rbhausen说,“我们才刚刚开始用它来探索材料的基本介面特性,”未来还需要更进一步的探索与实验。

科学家们预计,在进一步瞭解材料的介面后,就能更容易地根据所需的特性来调整材料的属性。“如果我们知道如何控制介面,就可以设计出全新的特性以及控制这些才料,”Rbhausen说。

来源:慧聪电子网