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材料的静电设计:一种全新的方法
发布:s0208_2016   时间:2017/6/28 15:27:29   阅读:641 
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在三维宏观材料内实现性能调控时,产生的一种三维视觉能量图景
图片来源:奥地利格拉茨技术大学
 
材料计算设计一般是用于对已经存在的材料进行改进或者进一步开发,计算机仿真模拟使得人们能够更加深入的了解决定材料性质的量子力学效应。

现在,来自奥地利格拉茨技术大学固态物理研究所的Egbert Zojer研究团队利用计算机模拟提出了一种全新的控制材料电子特性的概念。研究人员利用由于极性元素的规则排列所引起的潜在扰动影响,也即所谓的集体静电效应,来人为调控材料的相关性质。

格拉茨技术大学的研究团队已经证明了这种全新的方法同样适用于一些三维材料,该研究小组已经将其研究成果以科技论文的形式发表在了《Advanced Materials》期刊上。根据谷歌学术搜索结果可知,这是全球范围内材料研究领域中最重要的期刊杂志之一。
 
调控材料的能量级:

“静电设计理念所用到的基本方法就是通过偶极子组的周期性排列来修改半导体的电子状态,这样我们就能够以一种可控的方式来原位操纵能量级,在此过程中,我们没有试图寻找方法来故意绕过这种效果(尤其在一些接口上这是不可避免的),相反的,我们为了达到一些性能调控目的而故意使用这种效果”。Egbert Zojer解释道。

这个课题作为Zojer小组的研究焦点已经存在有一段时间了。其研究的第一步是单分子层的静电设计,例如在金电极上等。

实验结果已经表明,在这些分子层内预测的能量转移现象实际上确实发生了,并且通过单分子层传输电荷也可以得到人为调控。此外,还可以通过集体静电效应来控制诸如石墨烯等二维材料的电子状态。

在《Advanced Materials》杂志上发表的文章中,博士研究生VeronikaObersteiner,Egbert Zojer及其研究同事们向读者展示了将该方法扩展应用到三维材料上的巨大潜力。

“对于具有三维共价有机网络结构的材料,我们展示了如何通过集体静电效应来操纵三维材料中的能量图景,从而可以实现电子和空穴通路空间上的受限。例如,利用这种方式,电荷载体可以被分离,并且可以根据需要来设计调控材料的电子特性”。Zojer说道。

这个概念对于太阳能电池而言特别有意义。在通常的有机太阳能电池中,利用化学方法构建不同的机体(也即所谓的供体和受体)被用来分离光引发的电子-空穴对。而在我们提出的方法中,由于极性基团的周期性排列,能量水平会发生必要的局部位移,并且电子和空穴移动到的半导体区域在化学性质方面上是相同的。Zojer说:“通过这种方式,我们可以通过改变偶极子密度来准确、连续高效地调整其能量水平,这项工作也是我们目前对材料静电设计深入研究后所达到的最高水平”。
 
三维体系中的静电设计还有助于实现一些复杂的量子结构。“只有材料设计师的想象力才能对我们的概念产生一些限制”,Zojer和Obersteiner一致说道。

本文提到的计算机操作是在维也纳科学集群(VSC),奥地利执行能力最强的超级计算机以及维也纳工业大学、格拉茨技术大学、维也纳农业与科学大学以及因斯布鲁克大学共同合作下下联合执行的。该项工作属于“先进材料科学”专业领域中的一部分,这是格拉茨技术大学五个研究焦点之一。
 
 
译者:张云波
译自:sciencedaily
 
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