磁気不純物が量子ドットを自由電子の放出源に変える(Magnetic impurities turn quantum dots into emitters of free electrons)

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量子ドットにマンガン不純物を添加することで、光化学や光電面への自由電子の高効率発生を実現 Manganese impurities added to quantum dots enable high-efficiency generation of free electrons for use in photochemistry and photocathodes

2022-05-05 ロスアラモス国立研究所(LANL)

磁性イオンをコロイド状量子ドットに組み込むと、光を自由電子の流れに変換することができるようになる。この効果は、太陽電池の光化学や暗視ゴーグル、高度な加速器や自由電子レーザーなど、多くの技術に貢献する可能性があります。
このプロジェクトのロスアラモス国立研究所主任研究員、ビクター・クリモフ氏は、「私たちが行ったのは、特別な大きさの量子ドットにマンガンを加えることで可能になった、いわゆる『スピン交換』のプロセスを使って、マンガンイオンから量子ドットの電子にエネルギーを急速に押し出すことです。これにより、最終的に電子は「自由な」非結合状態に到達し、脱却することができるのです。」
この新プロセスでは、複数のマンガンイオンのエネルギーを組み合わせて使用します。そのため、可視光領域の低エネルギー光子で駆動することができる。このため、二酸化炭素の変換や太陽燃料の生成など、太陽電池の光化学反応の駆動源として非常に有効なプロセスである。

<関連情報>

多段階スピン交換オージェ電離による磁気ドープ量子ドットの高効率光電子放出 High-efficiency photoemission from magnetically doped quantum dots driven by multi-step spin-exchange Auger ionization

Clément Livache,Whi Dong Kim,Ho Jin,Oleg V. Kozlov,Igor Fedin & Victor I. Klimov
Nature Photonics  Published: 02 May 2022
DOI:https://doi.org/10.1038/s41566-022-00989-x

磁気不純物が量子ドットを自由電子の放出源に変える(Magnetic impurities turn quantum dots into emitters of free electrons)

Abstract

Materials displaying electron photoemission under visible-light excitation are of great interest for applications in photochemistry, photocathodes, advanced electron beam sources and electron microscopy. We demonstrate that in manganese-doped CdSe colloidal quantum dots (CQDs), two-step Auger up-conversion enables highly efficient electron photoemission under excitation with visible-light pulses. This effect is enabled by extremely fast, subpicosecond Auger-type energy transfer from excited manganese ions to an intrinsic CQD exciton. Since the rate of this process outpaces that of intraband cooling, the high-energy ‘hot’ electron produced by the first Auger-excitation step can be efficiently promoted further into the external ‘vacuum’ state via one more manganese-to-CQD energy-transfer step. This CQD ionization pathway exploits exceptionally large uphill energy gain rates associated with the spin-exchange Auger process and leads to photoemission efficiencies of more than 3%, orders of magnitude greater than in the case of undoped CQDs. We demonstrate that using this phenomenon, we can achieve high-yield production of solvated electrons (>3% internal quantum efficiency), which makes it of considerable utility in visible-light-driven reduction photochemistry.

0403電子応用
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