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[導(dǎo)讀]   美國(guó)奧勒岡州大學(xué)(University of Oregon)的研究人員展示一種可利用各種不同原子制成的“奈米環(huán)”(nanohoop),而不只是純用碳進(jìn)行制造。這種環(huán)形

  美國(guó)奧勒岡州大學(xué)(University of Oregon)的研究人員展示一種可利用各種不同原子制成的“奈米環(huán)”(nanohoop),而不只是純用碳進(jìn)行制造。這種環(huán)形的奈米結(jié)構(gòu)可用于為太陽(yáng)能電池、OLED或感測(cè)器實(shí)現(xiàn)最佳化能源效率。

  這種奈米環(huán)即“聯(lián)苯奈米環(huán)”(cycloparaphenylene;CPP)化學(xué)分子,可被設(shè)計(jì)成更有效吸收和發(fā)射能量的材料。

  

  摻雜氮原子的奈米環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖。奧勒岡大學(xué)的研究人員展示結(jié)合氮原子與碳原子而成的奈米環(huán),有助于提升能效與性能。

  這項(xiàng)研究是由奧勒岡州大學(xué)教授Ramesh JasTI及其博士研究生Evan R. Darzi所主導(dǎo),Evan R. Darzi的研究論文就是這項(xiàng)制造過(guò)程的概念驗(yàn)證,接下來(lái)還需要進(jìn)一步的研究,才能完全掌握奈米環(huán)的各種影響與應(yīng)用。

  JasTI 表示,1nm的奈米環(huán)提供了新的結(jié)構(gòu)類型,其尺寸介于長(zhǎng)鏈聚合物與小型低量分子之間,因而能用于能量或光學(xué)元件。JasTI曾經(jīng)在羅倫斯柏克萊國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (LBNL)分子工廠(Molecular Foundry)進(jìn)行博士后研究,他在2008年時(shí)首次合成了這些分子類型。

  “這些結(jié)構(gòu)增加了研發(fā)工具,并提供制造有機(jī)電子材料的新方法,”JasTI解釋:“這種環(huán)形化合物能夠表現(xiàn)得像有幾百個(gè)單位的聚合物一樣,但其實(shí)只有大約6-8個(gè)單位左右。透過(guò)增加非碳的原子,讓我們能夠改變其光學(xué)和電子特性。”

  這種奈米環(huán)具有可控制的能隙,因而能夠解決在材料方面的挑戰(zhàn)——其能量位于價(jià)電帶與導(dǎo)電帶之間,對(duì)于設(shè)計(jì)有機(jī)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。目前基于聚合物的長(zhǎng)鏈材料效果最好。

  “例 如,如果能夠控制能隙,那么就可以決定發(fā)光的顏色,”Jasti說(shuō)。“在電子裝置中,你可能還需要搭配能量水平與電極。而在太陽(yáng)光電系統(tǒng)中,你想擷取的陽(yáng) 光也必須配合能隙,才能提高效率以及增強(qiáng)最佳化排列不同元件的能力。這些事情都取決于分子的能量水平。根據(jù)我們的研究發(fā)現(xiàn)所制造的奈米環(huán)越小,能隙就越 小。”

  為了證實(shí)這個(gè)方法可行,Darzi同時(shí)使用碳原子與氮原子合成多種奈米環(huán),并觀察其行為表現(xiàn)。“我們所展示的是這種帶電荷的氮原子,它可讓奈米環(huán)成為電子的受體,而其他部份成為電子的供體,”Jasti。

  “除 了奈米環(huán)的大小,這種加入其他元素(如氮)的作法,也賦予我們另一種操縱能量水平的方式?,F(xiàn)在我們已經(jīng)證實(shí)奈米環(huán)的特性可輕松地加以控制,而且,這些分子 能夠表現(xiàn)出類似導(dǎo)電聚合物的新一類有機(jī)半導(dǎo)體。利用奈米環(huán),可以在環(huán)形結(jié)構(gòu)中間加進(jìn)其他東西,再加以摻雜使其改變特性或檢測(cè)分析物。”

  Jasti的早期研究在于讓奈米環(huán)成為一種碳基化合物,而其團(tuán)隊(duì)的后續(xù)研究更著眼于獨(dú)特且無(wú)法預(yù)期的電子與光學(xué)特性。

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