复合材料将低能波长转换为高能光

2023年6月26日消息——加州大学河滨分校(UCR)的研究人员设计了一种复合材料，该材料具有强大的光子上转换能力，可以支持一系列光驱动应用。这种复合材料是由硅量子点和有机分子蒽制成的，蒽用于OLED的发射。蒽的特殊性质使它能够将低能量的光转换成高能量的光。

这种复合材料的应用范围涵盖了治疗癌症和提高光伏发电效率。

UCR 实验室由洛伦佐·曼戈利尼教授领导，他帮助发明了制造这些硅纳米颗粒的工艺。团队成员包括德克萨斯大学奥斯汀分校(UT Austin)、科罗拉多大学博尔德分校和犹他大学的研究人员，以及UCR小组。

当有机和无机材料形成混合结构时，材料的不同性质可以产生不寻常的光物理转变。然而，根据研究人员的说法，这些材料之间产生的电子耦合通常很弱，这导致光激发的载流子在空间上定位于点或其表面的分子。

德克萨斯大学奥斯汀分校教授肖恩·罗伯茨说:“我们现在知道如何将两种截然不同的物质结合起来，并将它们牢固地结合在一起，不仅可以形成  一种混合物，还可以创造出一种具有独特性能的全新材料。”

为了制造这种材料，研究人员将一种能将蒽分子与硅量子点共价结合的化学连接剂从碳-碳单键转化为双键。这一步使得与材料的强耦合成为可能，其中激发的载流子在蒽和硅的空间上都离域。

通过推动系统离域，研究人员能够设计出比相应的弱耦合系统具有更高效率(即17.2%)和更低阈值强度(即0.5 W/cm⁻²)的光子上转换系统。

通过这项工作，研究人员证明，通过被称为光子上转换的过程，有可能引导一种材料发射出能量高于针对该材料的波长的光。

根据曼格里尼的说法，新设计的材料改进了研究人员之前的尝试，即创造一种在两个不同成分之间有效交换能量的东西。他说:“有很多机会将其用于广泛的领域，但从人类健康的角度来看，最重要的一个可能是癌症。”

例如，像紫外线(UV)激光这样的高能光可以用来形成攻击癌症组织的自由基。然而，紫外线不能深入组织，在肿瘤部位附近产生治疗性自由基。相比之下，近红外(NIR)光可以穿透人体深处，但它没有足够的能量来产生杀死癌症的自由基。

通过将低能光转换成高能光的能力，这种新材料可以产生和传递用于治疗肿瘤的自由基。除了高效之外，构成这种新材料基础的硅纳米颗粒是无毒的。

类似的方法可以用来提高太阳能电池的效率，研究人员的材料将允许太阳能电池阵列捕捉近红外光。根据研究人员的说法，当这项技术得到优化时，捕获低能量的光可以将太阳能电池板的尺寸缩小30%。

“这些电池通常不使用低能量光子，但使用这个系统，你可以。”曼格里尼说，“我们可以让这些阵列更高效。”

该复合材料还可以支持其他应用，包括生物成像、基于光的3D 打印以及自动驾驶汽车的光传感器。

这项研究发表在《自然化学》( www.doi.org/10.1038/s41557-023-01225-x )杂志上。

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 2023.6