有机半导体有望为太阳能应用带来革命性变化

有机半导体有望为太阳能应用带来革命性变化 太阳能在向清洁能源未来过渡的过程中发挥着至关重要的作用。通常，日常电子产品中常见的半导体硅被用来收集太阳能。然而，硅太阳能电池板有其局限性成本高昂，而且难以安装在曲面上。新研究部分解释了一类新型有机半导体非富勒烯受体（NFAs）的优异性能。研究人员已经开发出用于太阳能收集的替代材料，以解决这些缺陷。其中最有前途的是被称为"有机"半导体的碳基半导体，这种半导体在地球上资源丰富，成本较低，而且对环境友好。堪萨斯大学物理和天文学副教授Wai-Lun Chan说："它们有可能降低太阳能电池板的生产成本，因为这些材料可以使用基于溶液的方法涂覆在任意表面上就像我们粉刷墙壁一样。这些有机材料可以在选定的波长下吸收光线，可用于制造透明的太阳能电池板或不同颜色的电池板。这些特性使得有机太阳能电池板特别适合用于下一代绿色和可持续建筑。"虽然有机半导体已被用于手机、电视和VR头显等消费电子产品的显示面板，但尚未广泛用于商用太阳能电池板。有机太阳能电池的一个缺点是光电转换效率较低，约为 12%，而单晶硅太阳能电池的转换效率可达 25%。根据 Chan 的说法，有机半导体中的电子通常会与被称为"空穴"的正电子结合。这样，有机半导体吸收的光通常会产生电中性的准粒子，即"激子"。但是，最近一类被称为非富勒烯受体（NFAs）的新型有机半导体的开发改变了这一模式。使用非富勒烯受体（NFAs）制造的有机太阳能电池的效率可接近 20% 大关。尽管性能出众，但科学界仍不清楚这一类新型非氟烷烃为何明显优于其他有机半导体。在发表于《先进材料》（Advanced Materials）上的一项突破性研究中，陈和他的团队，包括物理和天文学系的研究生库沙尔-里贾尔（Kushal Rijal，第一作者）、内诺-富勒（Neno Fuller）和法蒂玛-鲁达尼（Fatimah Rudayni），与昆士兰大学化学教授辛迪-贝里（Cindy Berrie）合作，发现了一种微观机制，部分解决了无损检测器所取得的卓越性能。主要作者 Kushal Rijal（右）和 Neno Fuller（左）使用图中所示的超高真空光发射光谱系统进行了 TR-TPPE 测量。图片来源：Kushal 和 Fuller这一发现的关键在于领衔作者里贾尔利用一种被称为"时间分辨双光子光发射光谱"（TR-TPPE）的实验技术进行的测量。这种方法使研究小组能够以亚皮秒级的时间分辨率（小于一万亿分之一秒）跟踪激发电子的能量。"在这些测量中，Kushal [Rijal]观察到，NFA中的一些光激发电子可以从环境中获得能量，而不是向环境中损失能量，"Chan说。"这一观察结果与直觉相反，因为激发电子通常会向环境中损失能量，就像一杯热咖啡向周围环境中损失热量一样。"该研究小组的工作得到了美国能源部基础能源科学办公室的支持，他们认为，这种不寻常的过程之所以能在微观尺度上发生，是因为电子的量子行为允许一个激发电子同时出现在多个分子上。热力学第二定律认为，每个物理过程都会导致总熵（通常称为"无序"）的增加，这种量子怪异性与热力学第二定律相结合，产生了不寻常的能量增益过程。Rijal说："在大多数情况下，热物体会将热量传递给周围的冷物体，因为热量传递会导致总熵增加。但我们发现，对于以特定纳米级结构排列的有机分子来说，典型的热流方向是相反的，这样总熵才会增加。这种反向热流允许中性激子从环境中获得热量，并解离成一对正负电荷。这些自由电荷反过来又能产生电流"。根据他们的实验结果，研究小组提出，这种由熵驱动的电荷分离机制可使使用 NFA 制造的有机太阳能电池获得更高的效率。Rijal说："了解了电荷分离的基本机制，研究人员就能设计出新的纳米结构，利用熵的优势在纳米尺度上引导热量或能量流动。尽管熵是物理学和化学中一个众所周知的概念，但很少有人积极利用它来提高能量转换设备的性能。"不仅如此：科大团队认为，这项工作中发现的机制不仅可以用来生产更高效的太阳能电池，还可以帮助研究人员设计出更高效的光催化剂，用于太阳能燃料生产，这是一种利用阳光将二氧化碳转化为有机燃料的光化学过程。编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家开发出制造有机半导体的新型可持续方法

科学家开发出制造有机半导体的新型可持续方法 林雪平大学的研究引入了一种使用水等良性溶剂加工共轭聚合物的新方法。新油墨还具有高度导电性。资料来源：Thor Balkhed作为传统硅基电子器件的补充，有时甚至是替代品，有机电子器件正在崛起。有机电子产品具有制造简单、灵活性高、重量轻等特点，同时还具有传统半导体的电气特性，因此可用于数字显示、能源存储、太阳能电池、传感器和软植入物等应用。有机电子器件由半导体塑料（即共轭聚合物）制成。然而，加工共轭聚合物通常需要使用对环境有害、有毒和易燃的溶剂。这是有机电子产品广泛商业化和可持续使用的主要障碍。现在，林雪平大学的研究人员开发出了一种新的可持续方法，可以从水中加工这些聚合物。这种新型油墨不仅更具可持续性，还具有高度导电性。刘铁峰，有机电子学实验室博士后。资料来源：Thor Balkhed"我们的研究引入了一种利用水等良性溶剂加工共轭聚合物的新方法。"有机电子实验室资深副教授西蒙娜-法比亚诺（Simone Fabiano）说："利用这种被称为地态电子转移的方法，我们不仅可以解决使用有害化学物质的问题，还能证明材料性能和设备性能的改善。"当研究人员将这种新型导电墨水作为有机太阳能电池的传输层进行测试时，发现其稳定性和效率均高于传统材料。他们还测试了用这种油墨制造电化学晶体管和人工神经元的情况，结果表明其工作频率与生物神经元相似。"我相信，这些成果将对有机电子领域产生变革性影响。通过利用水等绿色和可持续溶剂加工有机半导体，我们可以大规模生产对环境影响最小的电子设备，"瓦伦贝格学院研究员西蒙娜-法比亚诺（Simone Fabiano）说。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

全球首个由石墨烯材料制成的功能性半导体问世

全球首个由石墨烯材料制成的功能性半导体问世 近日，中国和美国科研人员联合研制出世界上第一个由石墨烯材料制成的功能性半导体。研究人员表示，这预示着一个电子新时代的到来，它为研制更小、更快、更高效的电子设备铺平了道路。不过，距离石墨烯半导体完全落地，估计还要10到15年。 、、《》杂志

一种新的掺杂方法利用空气和光来增强有机半导体的导电性

一种新的掺杂方法利用空气和光来增强有机半导体的导电性 这种新方法是将导电塑料浸入一种特殊的盐溶液（一种光催化剂）中，然后用光对其进行短时间的照射，从而得到一种掺杂 p 的导电塑料，在这种塑料中，唯一消耗的物质是空气中的氧气。资料来源：Thor Balkhed我们相信，这种方法将极大地影响我们掺杂有机半导体的方式。林雪平大学副教授西蒙娜-法比亚诺（Simone Fabiano）说："所有元件都价格低廉、易于获得，而且可能对环境无害，这是未来可持续电子产品的先决条件。"基于导电塑料而非硅的半导体具有许多潜在应用。其中，有机半导体可用于数字显示器、太阳能电池、发光二极管、传感器、植入物和能源储存。林雪平大学有机电子实验室的研究人员杨志远、Simone Fabiano 和 Qingqing Wang。图片来源：Thor Balkhed为了增强导电性和改变半导体特性，通常会引入所谓的掺杂剂。这些添加剂可促进半导体材料内部电荷的移动，并可定制为诱导正电荷（p-掺杂）或负电荷（n-掺杂）。目前最常用的掺杂剂通常反应性很强（不稳定）、价格昂贵、制造难度大，或者三者兼而有之。现在，林雪平大学的研究人员开发出了一种可在室温下进行的掺杂方法，将氧等低效掺杂剂作为主要掺杂剂，并通过光激活掺杂过程。"我们的方法受到了大自然的启发，因为它与光合作用等有许多相似之处。在我们的方法中，光能激活光催化剂，然后促进电子从通常低效的掺杂剂转移到有机半导体材料，"Simone Fabiano 说。这种新方法是将导电塑料浸入一种特殊的盐溶液（一种光催化剂）中，然后用光照短时间。光照时间的长短决定了材料的掺杂程度。之后，将溶液回收以供将来使用，留下的是掺杂 p 的导电塑料，其中唯一消耗的物质是空气中的氧气。林雪平大学高级副教授 Simone Fabiano。图片来源：Thor Balkhed之所以能够做到这一点，是因为光催化剂充当了"电子穿梭机"的角色，在牺牲性弱氧化剂或还原剂存在的情况下，向材料吸收电子或捐献电子。这在化学中很常见，但以前从未在有机电子学中使用过。"我们还可以在同一反应中结合 p 掺杂和 n 掺杂，这是非常独特的。这简化了电子设备的生产，尤其是那些需要同时掺杂 p 和 n 的半导体的设备，如热电发生器。"Simone Fabiano 说："所有部件都可以同时制造，同时掺杂，而不是一个一个地掺杂，这使得工艺更具可扩展性。"与传统半导体相比，掺杂有机半导体具有更好的导电性，而且这种工艺可以按比例放大。有机电子实验室的西蒙娜-法比亚诺（Simone Fabiano）及其研究小组于2024年早些时候展示了如何利用水等环保溶剂加工导电塑料；这是他们的下一步研究。沃伦贝格学院研究员西蒙娜-法比亚诺（Simone Fabiano）说："我们正在努力全面了解其背后的机理以及还有哪些潜在的应用领域。但这是一种非常有前景的方法，表明光催化掺杂是有机电子学的新基石。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

我国在太空成功验证第三代半导体材料制造的功率器件

我国在太空成功验证第三代半导体材料制造的功率器件 新华社上海2月2日消息，以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体材料是我国制造业转型升级的驱动因素和重要保证。记者从中国科学院微电子研究所获悉，我国在太空成功验证了首款国产碳化硅（SiC）功率器件，第三代半导体材料有望牵引我国航天电源升级换代。据中国科学院微电子研究所刘新宇研究员介绍，功率器件是实现电能变换和控制的核心，被誉为“电力电子系统的心脏”…… - 电报频道 - #娟姐新闻: @juanjienews

科学家发明新型半导体激发技术

科学家发明新型半导体激发技术 横滨国立大学的科学家和加州理工学院的同事利用高强度、宽频带的超快太赫兹脉冲，在一种二维半导体材料中实现了原子激发，推动了电子设备的发展。他们的论文于 3 月 19 日发表在《应用物理通讯》（Applied Physics Letters）杂志上，并作为编辑推荐文章。二维（2D）材料或片状纳米材料因其独特的电子特性而成为未来半导体应用的理想平台。过渡金属二掺杂物（TMDs）是二维材料中的一个重要类别，由夹在掺杂物原子层之间的过渡金属原子层组成。这些原子以晶格结构排列，可以围绕其平衡位置振动或振荡这种集体激发被称为相干声子，在决定和控制材料特性方面起着至关重要的作用。声波诱导技术的创新传统上，相干声子由可见光和近红外区域的超短脉冲激光器诱导。使用其他光源的方法仍然有限。横滨国立大学工程科学研究生院助理教授、该研究的第一作者 Satoshi Kusaba 说："我们的研究解决了超快太赫兹频率激光器（或低能光子）如何在 TMD 材料中诱导相干声子这一基本问题。"WSe2 中声子的超快宽带太赫兹激发和偏振旋转探测示意图。获得的结果（右下）包括通过和频过程激发的相干声子振荡信号（右上）。资料来源：Satoshi Kusaba / 横滨国立大学太赫兹辐射是指频率在太赫兹范围内的电磁波，介于微波和红外频率之间。研究小组制备了超快宽带太赫兹脉冲，以诱导一种名为WSe2 的 TMD 薄膜中的相干声子动力学。为检测光学各向异性（换句话说，即光在穿过材料时的表现），研究人员安排了一套精确而灵敏的装置。研究人员研究了超短激光脉冲与材料相互作用时电场方向的变化；这些变化被称为偏振旋转。通过仔细观察微小的诱导光学各向异性，研究小组成功地探测到了太赫兹脉冲诱导的声子信号。"我们的研究最重要的发现是，太赫兹激发可以通过一个独特的和频激发过程在TMD中诱导相干声子，"研究时的加州理工学院博士生、本研究的共同第一作者Haw-Wei Lin说。"这种机制与共振和线性吸收过程有着本质区别，它涉及两个太赫兹光子的能量总和与声子模式的能量总和相匹配"。由于通过这种和频过程可以激发的声子模式的对称性完全不同于更典型的共振线性过程，因此本研究中成功使用的激发过程对于完全控制材料中的原子运动非常重要。这项研究成果的意义超出了基础研究的范畴，有望在现实世界中得到广泛应用。"通过和频激发过程，我们可以利用太赫兹激发相干地控制二维原子位置，"Kusaba说。"这可能为控制 TMD 的电子状态打开大门，这对于开发谷电技术和使用 TMD 的电子设备，实现低功耗、高速计算和专用光源，是大有可为的"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：