新式材料介面可望提升太陽能電池效益
[導(dǎo)讀]科學(xué)家們利用德國大型粒子物理學(xué)研究機(jī)構(gòu)──DeutschesElektronen-Synchrotron(DESY)的光源研究成果，進(jìn)一步掌握了兩種可能的新材料介面特性，透過結(jié)合這兩種材料介面所產(chǎn)生的特性，可望使其用于打造出更高性能的太陽
科學(xué)家們利用德國大型粒子物理學(xué)研究機(jī)構(gòu)──DeutschesElektronen-Synchrotron(DESY)的光源研究成果，進(jìn)一步掌握了兩種可能的新材料介面特性，透過結(jié)合這兩種材料介面所產(chǎn)生的特性，可望使其用于打造出更高性能的太陽能電池、新穎超導(dǎo)體以及更小的硬碟。
這項(xiàng)發(fā)表于《NatureCommunications》科學(xué)期刊中的研究，有助于研究人員們瞭解可能產(chǎn)生全新特性的兩項(xiàng)新材料介面。透過由新加坡國立大學(xué)教授AndrivoRusydi以及德國漢堡自由電子雷射科學(xué)中心(CFEL)教授MichaelRbhausen為主導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)及其研究成果，有效解決了在凝態(tài)物理學(xué)中長久以來存在的一個(gè)謎團(tuán)。CFEL是DESY、德國漢堡大學(xué)以及馬克斯普朗克學(xué)會(huì)(MPI)的合作單位。
「介面是材料研究領(lǐng)域的熱門話題，」Rusydi說，「如果把兩種不同材料放一起，就可以產(chǎn)生全新的特性。例如，兩種絕緣體與非磁性材料可在其介面上形成金屬與磁性特質(zhì)。」?jié)h堡大學(xué)教授MichaelRbhausen解釋說，這兩種材料特性發(fā)生變化的原因在于介面的對(duì)稱結(jié)構(gòu)遭被破壞，「兩種材料具有不同的特性與不同的結(jié)構(gòu)，如果你把他們放在一起，他們彼此之間就必須有所妥協(xié)以及重新安排，從而產(chǎn)生新的特性?！?BR>
大多數(shù)的電子會(huì)在LaAlO3子層重新分布
左：如果鋁酸鑭層(藍(lán)色)少于3個(gè)單位電池，電子重新分布于子層。右：如果該層有4個(gè)以上的單位電池，部份電子則遷移至介面上。（來源：漢堡大學(xué)教授MichaelRbhausen）
例如，利用這些現(xiàn)象就能帶來更小的硬碟?！競鹘y(tǒng)的硬碟是由該材料的整體物理特性所控制，為了實(shí)現(xiàn)微型化，我們必須透過介面結(jié)構(gòu)來控制其物理特性，」Rusydi說，「但問題是我們還無法完全明白在介面上所發(fā)生的變化?！?BR>
因此，該研究團(tuán)隊(duì)研究鈦酸鍶(SrTiO3)和鋁酸鑭(LaAlO3)這兩種會(huì)在介面處變成絕緣材料的介面。「然而，根據(jù)Maxwell理論，應(yīng)該能觀察到10倍以上的導(dǎo)電率。因此，90%的電荷載子與電子都消失了。這對(duì)我們來說完全是個(gè)謎，」Rusydi說。
為了尋找「消失的電子」，科學(xué)家們利用DESY的同步輻射光源DORISIII，在更廣泛的超紫外線能量范圍以泛光照亮兩種材料介面。Rusydi解釋，「材料中的所有電子就像小型天線一樣以不同的波長回應(yīng)電磁輻射?！惯@種以特定波長實(shí)現(xiàn)同步輻射的吸收作用，揭示相應(yīng)電子的能量狀態(tài)及其于晶格中的藏身之處。
根據(jù)研究結(jié)果顯示，只有一小部份的電子實(shí)際遷移至介面，形成一個(gè)導(dǎo)電層。大多數(shù)的電子則重新分布于LaAlO3子層，這是用以往的研究方式所無法發(fā)現(xiàn)的。此外，科學(xué)家們還觀察到電子從晶格轉(zhuǎn)換到介面上，主要取決于晶格上LaAlO3單位電池的數(shù)量。一個(gè)單位電池是晶體的最小單位，這表示晶體可用許多一致的單位電池來表示。如果LaAlO3層厚度小于3個(gè)單位電池，所有的電子在LaAlO3子層重新分布，完全沒有任何電子再遷移至介面時(shí)，使其仍維持絕緣特性。
這就是為什么充份展現(xiàn)介面特性時(shí)需要不只一層的LaAlO3，Rusydi解釋，「如果只有一部份的電子遷移至介面，你需要更大量的電子來彌補(bǔ)對(duì)稱損失?！雇高^這項(xiàng)研究結(jié)果，科學(xué)家們現(xiàn)在更加瞭解這些材料及其介面特性了?！冈瓌t上，我們的實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以用于研究任何介面，」Rbhausen說，「我們才剛剛開始用它來探索材料的基本介面特性，」未來還需要更進(jìn)一步的探索與實(shí)驗(yàn)。
科學(xué)家們預(yù)計(jì)，在進(jìn)一步瞭解材料的介面后，就能更容易地根據(jù)所需的特性來調(diào)整材料的屬性?！溉绻覀冎廊绾慰刂平槊?，就可以設(shè)計(jì)出全新的特性以及控制這些才料，」Rbhausen說。
這項(xiàng)發(fā)表于《NatureCommunications》科學(xué)期刊中的研究，有助于研究人員們瞭解可能產(chǎn)生全新特性的兩項(xiàng)新材料介面。透過由新加坡國立大學(xué)教授AndrivoRusydi以及德國漢堡自由電子雷射科學(xué)中心(CFEL)教授MichaelRbhausen為主導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)及其研究成果，有效解決了在凝態(tài)物理學(xué)中長久以來存在的一個(gè)謎團(tuán)。CFEL是DESY、德國漢堡大學(xué)以及馬克斯普朗克學(xué)會(huì)(MPI)的合作單位。
「介面是材料研究領(lǐng)域的熱門話題，」Rusydi說，「如果把兩種不同材料放一起，就可以產(chǎn)生全新的特性。例如，兩種絕緣體與非磁性材料可在其介面上形成金屬與磁性特質(zhì)。」?jié)h堡大學(xué)教授MichaelRbhausen解釋說，這兩種材料特性發(fā)生變化的原因在于介面的對(duì)稱結(jié)構(gòu)遭被破壞，「兩種材料具有不同的特性與不同的結(jié)構(gòu)，如果你把他們放在一起，他們彼此之間就必須有所妥協(xié)以及重新安排，從而產(chǎn)生新的特性?！?BR>
大多數(shù)的電子會(huì)在LaAlO3子層重新分布
左：如果鋁酸鑭層(藍(lán)色)少于3個(gè)單位電池，電子重新分布于子層。右：如果該層有4個(gè)以上的單位電池，部份電子則遷移至介面上。（來源：漢堡大學(xué)教授MichaelRbhausen）
例如，利用這些現(xiàn)象就能帶來更小的硬碟?！競鹘y(tǒng)的硬碟是由該材料的整體物理特性所控制，為了實(shí)現(xiàn)微型化，我們必須透過介面結(jié)構(gòu)來控制其物理特性，」Rusydi說，「但問題是我們還無法完全明白在介面上所發(fā)生的變化?！?BR>
因此，該研究團(tuán)隊(duì)研究鈦酸鍶(SrTiO3)和鋁酸鑭(LaAlO3)這兩種會(huì)在介面處變成絕緣材料的介面。「然而，根據(jù)Maxwell理論，應(yīng)該能觀察到10倍以上的導(dǎo)電率。因此，90%的電荷載子與電子都消失了。這對(duì)我們來說完全是個(gè)謎，」Rusydi說。
為了尋找「消失的電子」，科學(xué)家們利用DESY的同步輻射光源DORISIII，在更廣泛的超紫外線能量范圍以泛光照亮兩種材料介面。Rusydi解釋，「材料中的所有電子就像小型天線一樣以不同的波長回應(yīng)電磁輻射?！惯@種以特定波長實(shí)現(xiàn)同步輻射的吸收作用，揭示相應(yīng)電子的能量狀態(tài)及其于晶格中的藏身之處。
根據(jù)研究結(jié)果顯示，只有一小部份的電子實(shí)際遷移至介面，形成一個(gè)導(dǎo)電層。大多數(shù)的電子則重新分布于LaAlO3子層，這是用以往的研究方式所無法發(fā)現(xiàn)的。此外，科學(xué)家們還觀察到電子從晶格轉(zhuǎn)換到介面上，主要取決于晶格上LaAlO3單位電池的數(shù)量。一個(gè)單位電池是晶體的最小單位，這表示晶體可用許多一致的單位電池來表示。如果LaAlO3層厚度小于3個(gè)單位電池，所有的電子在LaAlO3子層重新分布，完全沒有任何電子再遷移至介面時(shí)，使其仍維持絕緣特性。
這就是為什么充份展現(xiàn)介面特性時(shí)需要不只一層的LaAlO3，Rusydi解釋，「如果只有一部份的電子遷移至介面，你需要更大量的電子來彌補(bǔ)對(duì)稱損失?！雇高^這項(xiàng)研究結(jié)果，科學(xué)家們現(xiàn)在更加瞭解這些材料及其介面特性了?！冈瓌t上，我們的實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以用于研究任何介面，」Rbhausen說，「我們才剛剛開始用它來探索材料的基本介面特性，」未來還需要更進(jìn)一步的探索與實(shí)驗(yàn)。
科學(xué)家們預(yù)計(jì)，在進(jìn)一步瞭解材料的介面后，就能更容易地根據(jù)所需的特性來調(diào)整材料的屬性?！溉绻覀冎廊绾慰刂平槊?，就可以設(shè)計(jì)出全新的特性以及控制這些才料，」Rbhausen說。
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