 這幅圖像被稱為“球棒模態(tài)”，說明新的鉺晶體化合物的晶體結(jié)構(gòu)，開發(fā)者是亞利桑那州立大學(xué)的納米光子學(xué)實驗室。四種不同顏色代表四種元素，它們相結(jié)合，產(chǎn)生這種新材料。來源：亞利桑那州立大學(xué) |
美國亞利桑那州立大學(xué)（Arizona State University）研究人員創(chuàng)造了一種新的化合物晶體材料，有望帶來一系列更先進的科學(xué)技術(shù)研究。
亞利桑那州立大學(xué)電氣工程教授寧存崢（Cun-Zheng Ning）說，這種材料稱為摻鉺氯硅酸鹽（erbium chloride silicate），可用于開發(fā)下一代電腦，提高互聯(lián)網(wǎng)性能，提高硅基光伏電池的效率，把太陽光轉(zhuǎn)換成電能，也可以帶來高質(zhì)量的固態(tài)照明和傳感器技術(shù)。
寧存崢研究小組的學(xué)生和博士后學(xué)位助理組，協(xié)助合成這種新化合物，就在亞利桑那州立大學(xué)電氣、計算機與能源工程學(xué)院納米光子學(xué)實驗室，屬于該大學(xué)的艾拉A•富爾頓工程學(xué)校（Ira A. Fulton Schools of Engineering）。
這所實驗室鉺研究的支持，來自美國陸軍研究辦公室（U.S. Army Research Office）和美國空軍科研辦公室（U.S. Air Force Office of Scientific Research）。有關(guān)這一新化合物的詳細報道，發(fā)表在美國光學(xué)學(xué)會（Optical Society of America）《光學(xué)材料快遞》（Optical Materials Express）網(wǎng)站上。
這項突破涉及首次合成一種新的鉺化物，它的形態(tài)是一種單晶納米線，具有優(yōu)越的性能，勝過其他形式的鉺化物。
在化學(xué)元素周期表中，鉺是最重要的稀土家族成員。它發(fā)出的光子，波長范圍是1.5微米，可用于光纖，對互聯(lián)網(wǎng)和電話的高品質(zhì)性能至關(guān)重要。
鉺用于摻雜光纖，可放大互聯(lián)網(wǎng)和電話信號，用于電信系統(tǒng)。摻雜這個詞用來描述一種工藝，就是把低濃度的各種元素摻進其他物質(zhì)，這種方法可以改變物質(zhì)的電氣或光學(xué)性質(zhì)，以產(chǎn)生預(yù)期的效果。這些元素用于這樣的工藝，就被稱為摻雜劑。
“因為我們不能在光纖中摻雜很多鉺原子，就像我們希望的那樣，因此，光纖必須很長，才能用來放大互聯(lián)網(wǎng)信號。這就很難在芯片上集成互聯(lián)網(wǎng)通信和計算，”寧存崢解釋說。
“有了這種新的鉺化物，這種化合物中包含的鉺原子就可以多1000倍以上。這意味著，許多裝置可以集成到一個芯片級的系統(tǒng)中，”他說。“因此，這種新的復(fù)合材料含有鉺，可以集成硅，合并計算和通信功能，在同樣廉價的硅平臺上，同時加速計算和互聯(lián)網(wǎng)運行速度。”
鉺材料也可用于提高硅太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。
硅不吸收波長大于1.1微米的太陽輻射，這會造成浪費能源，使太陽能電池的效率較低。
鉺材料可以彌補這種狀況，因為可以把攜帶較少能量的兩個或更多光子轉(zhuǎn)變成一個光子，這個光子攜帶較大的能量。這個更強大的單光子就可以被硅吸收，從而提高太陽能電池的效率。
鉺材料也有利于吸收來自太陽的紫外線，并轉(zhuǎn)換成攜帶少量能量的光子，這樣，就可以更有效地被硅電池轉(zhuǎn)化為電能。這種顏色轉(zhuǎn)換功能，可以把紫外線光變成其他顏色的可見光，這也很重要，可產(chǎn)生白光，用于固態(tài)照明設(shè)備。
雖然鉺的重要性是眾所周知的，但是，生產(chǎn)高品質(zhì)的鉺材料具有挑戰(zhàn)性，寧存崢說。
標準的做法是引入鉺，作為一種摻雜劑，混入各種主體材料，如氧化硅，硅以及許多其他晶體和玻璃。
“有一個大問題，就是我們一直無法把足夠的鉺原子摻入晶體和玻璃，而又不降低光學(xué)質(zhì)量，因為這些摻雜太多，就會聚集成串，從而降低光學(xué)質(zhì)量，”他說。
獨特之處在于，采用寧存崢研究小組合成的這種新型鉺材料，鉺不再作為一種摻雜劑被隨機引入。相反，鉺屬于均勻化合物的一部分，而且鉺原子的數(shù)量多了一千倍，超過其他摻鉺材料的最大引入量。
增加鉺原子的數(shù)量，會形成更大的光學(xué)活性，產(chǎn)生更強的照明。它也促進把不同顏色的光轉(zhuǎn)換成白光，以產(chǎn)生更高質(zhì)量的固態(tài)照明，使太陽能電池更有效地把陽光轉(zhuǎn)換成電能。
此外，因為鉺原子組織成一種周期陣列，它們就不會在這種新的化合物中聚集。寧存崢說，事實上，這種材料產(chǎn)生于高質(zhì)量單晶形態(tài)，因此，光學(xué)質(zhì)量優(yōu)于其他摻雜材料，。
就像許多科學(xué)發(fā)現(xiàn)一樣，合成這種新的鉺材料，在某種程度上也是出于偶然。
“就像其他研究人員所做的那樣，我們最初是想把鉺摻入硅納米線。但是，這種材料所呈現(xiàn)的特點，讓我們感到吃驚，”他說。“我們得到了一種新材料。我們不知道它是什么，并沒有公開的文獻描述它。我們花了一年多，最終發(fā)現(xiàn)，我們得到了一種新的單晶材料，沒有別人做過。”
寧存崢和他的小組正在嘗試，使用這種新的鉺化物進行各種應(yīng)用，如提高硅太陽能電池的效率，制成微型光學(xué)放大器，用于有芯片級光子系統(tǒng)的計算機和高速互聯(lián)網(wǎng)。
“最重要的是，”他說，“有很多事情我們還沒有了解，用這種材料可以做成什么。我們初步研究這些特點，表明它具有許多驚人的性能和出色的光學(xué)質(zhì)量，有待做出更令人興奮的發(fā)現(xiàn)。”
這幅圖像被稱為“球棒模態(tài)”，說明新的鉺晶體化合物的晶體結(jié)構(gòu)，開發(fā)者是亞利桑那州立大學(xué)的納米光子學(xué)實驗室。四種不同顏色代表四種元素，它們相結(jié)合，產(chǎn)生這種新材料。來源：亞利桑那州立大學(xué)
