能源科学家揭开金粉发光的神秘面纱

能科学家解开黄金发光之谜

发光是指物质在受到光照射后释放光子的现象，在半导体材料如硅中已知发生了数百年。电子在纳米尺度吸收和重新发射光线的行为可以告诉研究人员有关半导体性质的许多信息，这就是为什么它们经常被用作探针来表征电子过程，例如太阳能电池内发生的过程。

1969年，科学家发现所有金属都会以某种程度发出发光，但随后的几十年未能清楚地理解这种现象发生的原因。由于对纳米尺度温度映射和光化学应用的兴趣重新增加，再次引发了围绕其起源的争论。然而答案依然不明朗--直到现在。

“我们制备了非常高质量的金薄膜，这使我们处于独特的位置，能够阐明这一过程，而不受先前实验的混杂因素的影响”，工程学院纳米科学能源技术实验室（LNET）的负责人Giulia Tagliabue说道。

最近发表在《光：科学与应用》上的一项研究中，Tagliabue和LNET团队将激光束聚焦在极薄的金薄膜（介于13到113纳米之间），然后分析所产生的微弱发光。他们精确实验产生的数据是如此详尽和意外，以至于他们与巴塞罗那科学技术研究所、南丹麦大学和美国伦斯勒理工学院的理论家合作，重新修订并应用量子力学建模方法。

研究人员的全面方法使他们解决了关于薄膜发出的类型 - 光致发光 - 的争论，这是由电子及其相反电荷对应物（空穴）对光的响应方式定义的。他们还首次提出了金属中这种现象的完整、完全定量的模型，可以应用于任何金属。

意想不到的量子效应

Tagliabue解释说，使用一种新的合成技术制备的单晶金薄膜，团队研究了光致发光过程，随着金属变得越来越薄。“我们观察到在40纳米左右的薄膜中出现了某些量子效应，这是意想不到的，因为通常对于金属来说，除非薄到10纳米以下，否则不会看到这样的效应”，她说道。

这些观察结果提供了关于光致发光过程在金属中确切发生位置的关键空间信息，这是金属用作探针的先决条件。研究的另一个意外结果是发现金的光致发光信号可以用来探测材料自身的表面温度--这对于在纳米尺度工作的科学家来说是一大福音。

“对于金属表面上的许多化学反应，存在一个关于为什么以及在什么条件下发生这些反应的大辩论。温度是一个关键参数，但在纳米尺度测量温度是非常困难的，因为温度计可能会影响您的测量。因此，利用材料本身作为探针来探测材料是一个巨大的优势”，Tagliabue说道。

太阳燃料开发的金标准

研究人员认为他们的发现将使金属能够获得前所未有的详细洞察化学反应，特别是在能源研究中涉及的反应。像金和铜这样的金属--LNET的下一个研究目标--可以触发某些关键反应，比如将二氧化碳（CO2）还原为储存太阳能的化学键中的碳基产品。

“为了应对气候变化，我们将需要技术来将二氧化碳转化为其他有用的化学品”，该研究的第一作者、LNET博士后Alan Bowman说道。

“使用金属是一种方法，但如果我们不了解这些反应在金属表面上是如何发生的，那么我们就无法对其进行优化。发光提供了一种新的了解这些金属中正在发生的事情的方法。”