新式材料介面可望提升太陽(yáng)能電池效益

　　科學(xué)家們利用德國大型粒子物理學(xué)研究機構──DeutschesElektronen-Synchrotron(DESY)的光源研究成果，進(jìn)一步掌握了兩種可能的新材料介面特性，透過(guò)結合這兩種材料介面所產(chǎn)生的特性，可望使其用于打造出更高性能的太陽(yáng)能電池、新穎超導體以及更小的硬碟。

　　這項發(fā)表于《NatureCommunications》科學(xué)期刊中的研究，有助于研究人員們瞭解可能產(chǎn)生全新特性的兩項新材料介面。透過(guò)由新加坡國立大學(xué)教授A(yíng)ndrivoRusydi以及德國漢堡自由電子雷射科學(xué)中心(CFEL)教授MichaelRbhausen為主導的研究團隊及其研究成果，有效解決了在凝態(tài)物理學(xué)中長(cháng)久以來(lái)存在的一個(gè)謎團。CFEL是DESY、德國漢堡大學(xué)以及馬克斯普朗克學(xué)會(huì )(MPI)的合作單位。

　　大多數的電子會(huì )在LaAlO3子層重新分布

　　「介面是材料研究領(lǐng)域的熱門(mén)話(huà)題，」Rusydi說(shuō)，「如果把兩種不同材料放一起，就可以產(chǎn)生全新的特性。例如，兩種絕緣體與非磁性材料可在其介面上形成金屬與磁性特質(zhì)?！節h堡大學(xué)教授MichaelRbhausen解釋說(shuō)，這兩種材料特性發(fā)生變化的原因在于介面的對稱(chēng)結構遭被破壞，「兩種材料具有不同的特性與不同的結構，如果你把他們放在一起，他們彼此之間就必須有所妥協(xié)以及重新安排，從而產(chǎn)生新的特性?！?/p>

　　大多數的電子會(huì )在LaAlO3子層重新分布

　　左：如果鋁酸鑭層(藍色)少于3個(gè)單位電池，電子重新分布于子層。右：如果該層有4個(gè)以上的單位電池，部份電子則遷移至介面上。(來(lái)源：漢堡大學(xué)教授MichaelRbhausen)

　　例如，利用這些現象就能帶來(lái)更小的硬碟?！競鹘y的硬碟是由該材料的整體物理特性所控制，為了實(shí)現微型化，我們必須透過(guò)介面結構來(lái)控制其物理特性，」Rusydi說(shuō)，「但問(wèn)題是我們還無(wú)法完全明白在介面上所發(fā)生的變化?！?/p>

　　因此，該研究團隊研究鈦酸鍶(SrTiO3)和鋁酸鑭(LaAlO3)這兩種會(huì )在介面處變成絕緣材料的介面?！溉欢?，根據Maxwell理論，應該能觀(guān)察到10倍以上的導電率。因此，90%的電荷載子與電子都消失了。這對我們來(lái)說(shuō)完全是個(gè)謎，」Rusydi說(shuō)。

　　為了尋找「消失的電子」，科學(xué)家們利用DESY的同步輻射光源DORISIII，在更廣泛的超紫外線(xiàn)能量范圍以泛光照亮兩種材料介面。Rusydi解釋?zhuān)覆牧现械乃须娮泳拖裥⌒吞炀€(xiàn)一樣以不同的波長(cháng)回應電磁輻射?！惯@種以特定波長(cháng)實(shí)現同步輻射的吸收作用，揭示相應電子的能量狀態(tài)及其于晶格中的藏身之處。

　　根據研究結果顯示，只有一小部份的電子實(shí)際遷移至介面，形成一個(gè)導電層。大多數的電子則重新分布于LaAlO3子層，這是用以往的研究方式所無(wú)法發(fā)現的。此外，科學(xué)家們還觀(guān)察到電子從晶格轉換到介面上，主要取決于晶格上LaAlO3單位電池的數量。一個(gè)單位電池是晶體的最小單位，這表示晶體可用許多一致的單位電池來(lái)表示。如果LaAlO3層厚度小于3個(gè)單位電池，所有的電子在LaAlO3子層重新分布，完全沒(méi)有任何電子再遷移至介面時(shí)，使其仍維持絕緣特性。

　　這就是為什么充份展現介面特性時(shí)需要不只一層的LaAlO3，Rusydi解釋?zhuān)溉绻挥幸徊糠莸碾娮舆w移至介面，你需要更大量的電子來(lái)彌補對稱(chēng)損失?！雇高^(guò)這項研究結果，科學(xué)家們現在更加瞭解這些材料及其介面特性了?！冈瓌t上，我們的實(shí)驗技術(shù)可以用于研究任何介面，」Rbhausen說(shuō)，「我們才剛剛開(kāi)始用它來(lái)探索材料的基本介面特性，」未來(lái)還需要更進(jìn)一步的探索與實(shí)驗。

　　科學(xué)家們預計，在進(jìn)一步瞭解材料的介面后，就能更容易地根據所需的特性來(lái)調整材料的屬性?！溉绻覀冎廊绾慰刂平槊?，就可以設計出全新的特性以及控制這些才料，」Rbhausen說(shuō)。