金纳米团簇量子态控制实现数量级提升

研究人员创造了一个含30个原子的金纳米团簇（hcp结构）和一个含38个原子的金纳米团簇（bcc结构），两者的量子寿命分别为1纳秒和4.7微秒。

sciencedaily.com网站报道，美国卡内基梅隆大学化学系的研究人员发现了一种新方法，可以使金纳米团簇的量子态寿命控制有数量级的提升。该研究对太阳能电池和光催化技术有巨大的推动作用。相关研究发表于4月18日出版的《科学》杂志中。

粒子吸收光后，光的能量暂时存储于粒子中，粒子进入激发态，其能量高于基态。激发态粒子的能量衰减很快，能量在约1纳秒内就会以热量形式消失。延长量子态寿命有助于研究人员有充裕的时间来充分利用存储的能量。卡内基梅隆大学教授Rongchao Jin因其对金纳米微粒的研究而闻名于学界。在Jin教授的延伸性研究中，博士后研究员Meng Zhou和博士生Tatsuya Higaki等对包含30~38个原子的金纳米团簇进行了分析。他们通过重新排列原子和配体保护，改变了金纳米团簇的结构。

研究人员利用飞秒和纳秒时间分辨光谱技术测定了金纳米团簇的量子态寿命。加州大学河滨分校的合作研究人员则利用密度函数理论计算分析了纳米团簇的分子轨道，对测定结果进行了论证。他们发现，由30个原子组成的金纳米团簇构成了六边形紧密堆积结构（hcp结构），其量子寿命约1纳秒。而由38个原子组成的立方体构型金纳米团簇的量子寿命显著延长，达到4.7微秒。量子寿命提升3个数量级可以使研究人员有充足的时间从纳米团簇中提取存储的光能。Jin教授说：“显著延长激发态寿命非常令人兴奋。超长的4.7微秒量子寿命几乎可以与商用太阳能电池中硅的量子寿命相媲美。这使我们有了足够的时间，在不损失太多能量的情况下，有效地将光能作为电子电流注入外部电路。”

可控的量子寿命还对提高可见光光催化效率有作用。光催化主要用于将太阳能转化过程，例如二氧化碳转化甲醇、乙醇等。

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编译：雷鑫宇

审稿：三水

责编：唐林芳

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2019/04/190426130046.htm

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