Nature Materials：Klimov团队载流子倍增新突破

• 【导读】

半导体中的载流子倍增现象是指半导体材料吸收一个高能光子产生多个电子-空穴对。将载流子倍增应用于太阳能电池将大幅降低高能光子的热损耗，提升太阳光利用率，从而突破Shockley-Queisser极限。然而，在半导体体相材料中，受到平移动量守恒的限制，载流子倍增发生所需光子能量远大于禁带宽度，应用价值较低。小尺寸的半导体量子点能够弱化平移动量守恒的限制，为获得高效的载流子倍增提供了物质基础。Klimov团队一直以来对半导体量子点中的载流子倍增有着深入且广泛的研究。

• 【成果掠影】

近日，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Klimov团队在Nature Materials上发表了新的研究论文，在Mn²⁺掺杂的PbSe@CdSe核壳结构量子点中，利用Mn²⁺作为自旋交换中间体，成功获得了高效的载流子倍增效应。在本项研究中，作者通过扩散掺杂和阳离子交换的手段合成了Mn²⁺掺杂的PbSe@CdSe核壳结构量子点，其中Mn²⁺主要分布在核壳界面处。当量子点被光激发后，CdSe壳层中所产生的激子能量会快速传递给Mn²⁺离子，产生激发态的Mn²⁺离子（⁶A₁→⁴T_m，m=1，2）并伴随着Mn²⁺离子d轨道电子自旋的翻转。随后，由于Mn²⁺的⁴T_m→⁶A₁跃迁为禁戒跃迁且其对应能量是核心量子点PbSe禁带宽度的两倍以上，激发态Mn²⁺将优先将能量传递给核心PbSe量子点并产生自旋分别为0和1的两个激子，整个过程能量和自旋守恒，从而有助于促进载流子倍增效率大幅提升。作者利用瞬态发射光谱和瞬态吸收光谱对该体系的载流子倍增效应进行了系统的表征，实验结果表明，未掺杂的参比样品PbSe@CdSe，在入射光子能量hv_ph为禁带宽度E_g的3.8倍时的双激子产生效率为48%，而Mn²⁺掺杂的样品在较低的光子入射能量下（入射光子能量为E_g的3.7倍）就可以获得高达75%的双激子效率。在更低的入射光子能量下（hv_ph=2.6E_g），Mn²⁺掺杂样品的双激子产生率仍可达到48%，而未掺杂样品仅为14%。

相关研究文章以“Spin-exchange carrier multiplication in manganese-doped colloidal quantum dots”为题发表在Nature Materials上。

• 【核心创新点】

在能量守恒和自旋守恒原理的指导下，通过巧妙的材料结构设计，引入Mn²⁺作为自旋交换相互作用的中间体，成功提升了载流子倍增的效率。

• 【数据概览】

图1. 未掺杂的参比CdSe量子点和Mn掺杂的CdSe量子点的俄歇复合和碰撞电离。©2023 The Authors

图2. 自旋交换辅助的载流子倍增。©2023 The Authors

图3. 未掺杂的PbSe@CdSe量子点和Mn²⁺掺杂的PbSe@CdSe量子点的载流子倍增效应表征。©2023 The Authors

图4. 未掺杂量子点和Mn²⁺掺杂量子点的载流子倍增效率的比较。©2023 The Authors

图5. 掺杂离子Mn和PbSe核心量子点间的辐射自旋耦合 ©2023 The Authors

• 【成果启示】

本项研究基于普适的科学原理结合巧妙的结构设计，在载流子倍增的研究上取得了突破性的进展。未来的研究重点之一是将本项研究所获材料与太阳能电池相结合，全面评估载流子倍增效应在实际应用中的表现。

原文详情：Ho Jin, Clément Livache, Whi Dong Kim, Benjamin T. Diroll, Richard D. Schaller, Victor I. Klimov, Spin-exchange carrier multiplication in manganese-doped colloidal quantum dots, Nature Materials, 2023.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-023-01598-x

本文由NSCD供稿。