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纳米材料的四大效应
纳米材料具有独特的物理、化学和生物学特性，主要是由于其纳米级尺寸效应而导致的。
以下是纳米材料常见的四大效应：
尺寸效应：当材料的尺寸缩小到纳米级别时，其物理和化学性质可能会发生显著变化。
纳米材料的尺寸相对较小，使得电子、光子和声子等能量传输和储存方式发生改变。
这种尺寸效应可以导致纳米材料在光学、电子学、磁学等领域展示出独特的性能。
表面效应：纳米材料相对于宏观材料具有更大的比表面积，这是由于纳米级尺寸的高比例表面积与体积之间的关系。
这导致纳米材料在与周围环境的相互作用中表现出特殊的化学和物理性质。
纳米材料的高比表面积使得其在催化、吸附、传感等应用中具有更高的效率和反应活性。
量子效应：纳米材料的尺寸接近或小于典型的量子尺寸范围时，量子效应开始显现。
在这种情况下，纳米材料的电子和能带结构将受到限制和量子约束，从而导致电子行为发生变化。
量子效应使得纳米材料在电子学、光电子学和量子计算等领域具有重要应用。
界面效应：当不同类型的纳米材料或纳米结构之间发生接触或相互作
用时，界面效应产生。
这种效应是由于界面上的原子或分子之间的相互作用引起的，导致纳米材料在界面处具有不同的化学、物理和电子性质。
界面效应对于纳米材料的催化、能源转换和生物应用等具有重要意义。
这些纳米材料的效应使其在多个领域具有广泛的应用，包括电子学、光电子学、催化剂、传感器、医学和能源等。
然而，纳米材料的独特性质也带来了一些挑战，如纳米材料的制备和表征、环境和生物安全性等问题需要得到充分考虑和管理。
纳米材料的量子限域效应引言：纳米材料是一种具有尺寸在纳米级别的材料，其特殊的物理和化学性质使其在许多领域具有广泛的应用潜力。
其中，量子限域效应是纳米材料独特的现象之一。
本文将重点讨论纳米材料的量子限域效应及其在科学研究和技术应用中的重要性。
1. 量子限域效应的概念量子限域效应指的是当材料尺寸缩小到纳米级别时，电子、光子或声子等粒子的行为受到量子效应限制的现象。
在纳米材料中，由于其尺寸接近或小于典型的量子力学长度尺度，如波长或布洛赫波长，量子效应的影响变得显著。
这种限制导致了纳米材料具有与宏观物质不同的电子结构、光学性质和热传导等特性。
2. 电子结构的改变纳米材料的量子限域效应对其电子结构产生重要影响。
当材料尺寸减小到纳米级别时，电子的能级密度增加，能级间距减小，导致能带结构的变化。
这种变化在纳米材料中表现为禁带宽度的变窄和禁带边的移动。
这使得纳米材料在光电子器件、传感器和催化剂等领域具有独特的应用潜力。
3. 光学性质的调控纳米材料的量子限域效应还可以调控其光学性质。
当光子与纳米材料相互作用时，由于量子效应的限制，光子的能量和动量将受到限制性变化。
这种效应使得纳米材料在光学器件、光催化和传感器等领域有着广泛的应用。
例如，纳米颗粒的表面等离子共振现象使其在生物成像和光热疗法中具有重要应用。
4. 热传导的变化在纳米材料中，由于量子限域效应的限制，热传导的机制也发生变化。
纳米材料中的声子传导受到晶格结构的限制，导致导热性能的降低。
这种现象被广泛应用于热电材料和热管理领域，用于提高能量转换效率和热障功能。
5. 应用前景纳米材料的量子限域效应在许多领域具有重要的应用前景。
例如，在能源领域，纳米材料的量子限域效应可用于提高太阳能电池和燃料电池的效率。
在医药领域，纳米材料的量子限域效应可用于纳米药物传输和靶向治疗。
此外，在传感器、催化剂和信息存储等领域，纳米材料的量子限域效应也具有重要的应用潜力。
结论：纳米材料的量子限域效应是纳米科学和纳米技术领域中的重要现象之一。
量子尺寸效应
量子尺寸效应是指当纳米材料的尺寸减小到与原子或分子的量子尺寸相当时，其电子、光子和声子等载流子的行为和性质会发生显著变化的现象。
主要包括以下几个方面的影响：
1.能带结构调制：在纳米尺寸下，材料的能带结构会受到量子约束效应的影响，导致能带宽度增加、带隙变化、能级结构调制等现象，影响材料的光学、电学和磁学性质。
2.光学性质：量子尺寸效应使纳米材料的光学性质发生变化，如量子点的量子限制效应导致其发光颜色随粒子尺寸变化，纳米线的光学波导效应增强了光的传输。
3.电子结构调制：纳米尺寸下，电子的能级密度增加，电子态的量子限制效应显著，导致载流子的束缚态和禁闭态能级的出现，影响了电子传输性能和电子结构的调制。
4.载流子限制效应：量子尺寸效应使得电子、光子和声子等载流子的运动受到约束，从而影响了材料的电导率、光学透明度、声子热传导等性质。
5.光子效应：量子尺寸效应也会影响纳米材料中声子的能量和频率分布，导致声子的量子限制效应，影响了热传导和热容性质。
量子尺寸效应对纳米材料的性质和行为具有重要影响，因此在纳米材料的制备、表征和应用过程中需要充分考虑和利用这些效应，以实现对纳米材料性能的精确调控和优化。
纳米材料四大效应及相关解释四大效应基本释义及内容:量子尺寸效应：是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。
当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。
小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。
对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。
表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。
随着颗粒直径的变小, 比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应。
宏观量子隧道效应：当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。
近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。
四大效应相关解释及应用:表面效应球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。
随着颗粒直径的变小比表面积将会显著地增加。
例如粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。
粒子直径减小到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。
这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。
表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。
纳米材料的量子效应研究方法引言：纳米材料是一种具有尺寸在纳米尺度范围内的材料，具有特殊的物理、化学和生物学性质。
由于其尺寸效应、表面效应和量子效应的影响，纳米材料在材料科学、纳米技术、能源、光电子学、生物医学等领域展示了广泛的应用潜力。
其中，纳米材料的量子效应是其特殊性质的重要来源，因此研究纳米材料的量子效应具有重要的意义。
本文将介绍纳米材料的量子效应及其研究方法。
1. 纳米材料的量子效应简介纳米材料在纳米尺度下具有特殊的性质，这些性质和传统材料明显不同，主要归因于量子效应的出现。
量子效应是指在纳米尺度下，材料的电子、光子和声子等粒子表现出量子力学行为的现象。
常见的纳米材料量子效应包括：- 尺寸限制效应：纳米材料在尺寸缩减到纳米尺度范围时，由于量子限制效应，会出现尺寸效应，如量子点的能带结构和能级量化现象。
- 量子隧穿效应：纳米尺度下的电子具有波粒二象性，能够以概率透过势垒进行隧穿，从而产生电流。
2. 为了深入了解纳米材料的量子效应及其对材料性质的影响，科学家们开发了多种研究方法和技术。
以下是一些常用的研究方法：2.1 扫描隧道显微镜 (STM)扫描隧道显微镜是一种通过测量在电极之间的电流来观察纳米尺度下表面的原子和分子结构的仪器。
由于量子隧穿效应，STM可以提供纳米级别的空间分辨率和原子级别的表面结构信息。
通过STM，科学家们可以观察到量子点、量子阱等纳米材料的尺寸效应和能级结构等量子效应。
2.2 透射电子显微镜 (TEM)透射电子显微镜是一种采用电子束通过样品来观察材料结构和纳米尺度下粒子形态的工具。
透射电子显微镜利用电子的波粒二象性，通过束缚态电子的散射来提供高分辨率的图像。
该技术可用于观察纳米颗粒的尺寸和形态，并对纳米材料的能带结构、能级分布等进行分析。
2.3 X射线衍射 (XRD)X射线衍射是一种利用材料对入射X射线的散射来研究其晶体结构和晶格参数的方法。
纳米材料通常具有较小的晶粒尺寸，在X射线衍射中表现出显著的尺寸效应。
纳米材料的量子尺寸效应与能带结构纳米材料是一种具有特殊尺寸和结构的材料，其尺寸通常在纳米级别，也就是1-100纳米之间。
相对于传统材料，纳米材料在物理、化学和生物学等领域展现出了许多独特的性质和应用潜力。
其中最重要的特征之一便是量子尺寸效应。
量子尺寸效应是指当材料的尺寸缩小到纳米级别时，材料的物理性质会发生显著变化，与其宏观尺寸相比产生明显差异。
这一效应主要涉及到了电子结构和能带结构。
首先，让我们来了解一下什么是能带结构。
在材料的固态结构中，原子的电子以能带的形式存在。
能带结构决定了材料的导电性、光学性质等特性。
在传统材料中，能带结构是由于原子间相互作用所形成的。
然而，对于纳米材料来说，量子尺寸效应会改变电子之间的相互作用，从而影响能带结构。
这种影响主要表现在两个方面：禁带的增大和能带的离散化。
量子尺寸效应对禁带的影响是通过调整材料的能级结构实现的。
通常情况下，较大的材料会有连续的能级分布，禁带中存在着能量范围，该范围内没有电子能级。
但是，在纳米材料中，当尺寸减小到一定程度时，禁带的能量范围会变大。
这是由于纳米尺度下，电子在空间中受限，其波函数分布更集中，因此禁带的边界也就更加清晰。
这一现象使得纳米材料具有较高的光学能隙和禁带宽度，从而在光电器件和光催化反应等方面具备潜在的应用价值。
另一个重要的量子尺寸效应是能带的离散化。
在宏观材料中，能带是连续的，而在纳米材料中，能带会分裂成一系列的能级。
这是由于量子尺寸效应限制了电子在空间中的运动，并导致了电子的能量分布的离散化。
这种离散化的能带结构直接影响了纳米材料的电子输运性质和光电响应行为。
例如，纳米金属材料的电子传输速度较传统金属材料更高，这对于高速电子器件具有重要的意义。
此外，纳米半导体材料的能带分裂还可以调控纳米材料的发光性质，从而实现可调控发光的纳米发光器件。
除了禁带的增加和能带的离散化，量子尺寸效应还会对电子的能级分布和费米能级产生影响。
在宏观尺度下，费米能级通常位于导带和价带之间，并决定了材料的导电性质。
纳米材料四大效应纳米材料作为一种具有特殊结构和性能的材料，其所表现出的效应也与传统材料有所不同。
在纳米尺度下，材料的物理、化学和生物学特性都会发生明显变化，从而衍生出了一系列独特的效应。
本文将介绍纳米材料的四大效应：量子尺寸效应、表面效应、量子限域效应和量子隧穿效应。
1. 量子尺寸效应当材料的尺寸缩小到纳米级别时，电子在其中的行为将受到量子力学的限制，从而展现出量子尺寸效应。
在纳米尺度下，材料的能带结构和电子态密度会发生改变，导致其电子输运性质和光学性质出现明显差异。
例如，纳米材料中的能带宽度增加，能级间距变大，使得纳米材料在光学上表现出了更加丰富的色散特性和量子限域效应。
2. 表面效应纳米材料相较于宏观材料，其比表面积更大，因此表面效应在纳米材料中变得尤为重要。
纳米材料的比表面积增大，使得其与周围环境的相互作用增强，表现出了更高的反应活性和吸附能力。
此外，纳米材料的表面还存在着表面能量和表面电荷等特性，对其物理和化学性质产生重要影响。
因此，纳米材料的表面效应不仅使其在催化、传感、吸附等领域发挥重要作用，还为纳米材料的功能化提供了更多可能性。
3. 量子限域效应量子限域效应是指当纳米材料的尺寸减小到一定程度时，电子的运动被限制在一个有限的空间范围内。
在这种情况下，电子的波函数在空间上发生压缩，使得其能级分立化，从而导致了纳米材料独特的电子结构和性质。
量子限域效应使得纳米材料的光学、电学、磁学等性能发生显著变化，为纳米材料在光电子器件、催化剂、存储材料等领域的应用提供了基础。
4. 量子隧穿效应量子隧穿效应是指当材料的尺寸减小到纳米级别时，电子以概率的形式从一个空间区域穿越到另一个空间区域。
在纳米材料中，由于电子的波函数在空间上的延展性，电子可以跨越传统材料中不可逾越的能垒。
量子隧穿效应使得纳米材料在电子输运、电子器件等领域具有独特的优势和应用潜力。
纳米材料的四大效应——量子尺寸效应、表面效应、量子限域效应和量子隧穿效应，是纳米材料独特的物理现象和性能所衍生出的。
纳米材料的三个效应
纳米材料在纳米尺度下表现出一些特殊的效应，主要有以下三个：
1. 尺寸效应：纳米材料的尺寸通常在纳米级别，具有高比表面积和量子尺寸效应。
由于其表面积相对较大，与体积相比更多的原子或分子位于表面，导致表面活性增加。
此外，由于尺寸接近原子或分子的尺度，纳米材料的物理和化学性质可能与宏观材料不同，如光学、磁性、电学等性质的变化。
2. 量子效应：当纳米材料尺寸接近或小于其特定量子限制时，量子效应开始显现。
量子效应是指在纳米尺度下，粒子的行为受到量子力学规律的显著影响。
例如，纳米材料的能带结构和电子输运性质可能与宏观材料有所不同，如量子点的能级结构、电子隧穿效应等。
3. 表面效应：由于纳米材料的高比表面积，表面效应在其性质和行为中起着重要作用。
表面效应指的是纳米材料表面原子或分子与环境之间的相互作用对其性质的影响。
纳米材料的表面活性位点增多，导致与周围环境的相互作用增强，从而改变了材料的光学、化学、催化等性质。
此外，表面效应还可以影响纳米材料的稳定性、生物相容性等方面。
这些效应使得纳米材料具有许多独特的性质和潜在的应用，如纳米电子器件、纳米传感器、纳米药物递送系统、纳米催化剂等。
然而，纳米材料也面临着一些挑战，如制备和表征的复杂性、稳定性问题以及与环境和生物系统的相互作用等。
因此，对纳米材料的研究和应用需要深入理解和有效管理这些特殊效应。
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纳米技术中的量子点效应纳米技术，作为一项前沿的科技领域，近年来获得了广泛的关注和研究。
在纳米科学和纳米技术的发展过程中，量子点效应被认为是一种非常重要的现象。
本文将就纳米技术中的量子点效应进行探讨，从定义、特点、应用等方面进行论述。
一、量子点效应的定义量子点效应是指在纳米材料中，由于量子限制以及与材料尺寸密切相关的量子效应所引起的一系列特殊现象。
简单来说，当材料尺寸缩小至纳米级别，其电子行为会发生剧变，呈现出不同于宏观材料的性质和行为。
这种尺寸效应使得纳米材料具有独特的物理、化学和光学特性。
二、量子点效应的特点1. 量子限制效应：当材料尺寸缩小到纳米级别时，材料中的电子会受到空间限制，只能占据特定能级。
这种量子限制效应导致纳米材料中的电子能级呈现出离散的特点，成为量子点效应的重要表现之一。
2. 光学特性变化：纳米材料中的量子点可以表现出尺寸调控的光学性质。
由于量子限制效应的影响，纳米材料中的电子能级间隔被限制在特定范围内，使得材料在不同尺寸下吸收和发射特定波长的光，呈现出明显的光学效应。
3. 电学特性变化：量子点效应也会导致纳米材料的电学性质发生变化。
由于量子限制效应，纳米材料中的电子束缚在能级之间跃迁具有尺寸调控的特点，因此纳米材料的电导率、电子密度等电学性质都会发生变化。
4. 热学特性变化：量子点效应还会导致纳米材料的热学性质变化。
纳米材料中的热导率、热膨胀系数等热学参数会随着材料尺寸的变化而发生变化，呈现出不同于宏观材料的特性。
三、量子点效应的应用1. 光电器件：量子点效应使得纳米材料在光电器件领域具有重要应用价值。
纳米量子点可以作为光催化剂、光电传感器以及太阳能电池等光电器件的关键材料，利用其尺寸调控的光学性质实现高效能量传输和转换。
2. 生物医学：纳米量子点可以被应用于生物医学领域，用于生物标记和成像。
由于其尺寸调控的荧光特性，纳米量子点可以作为生物标记物标记生物分子，用于细胞成像、癌症检测以及药物传输等方面。
“纳米材料的量子效应”研究报告目录目录 (2)概念 (3)定义： (3)举例： (3)应用 (3)理论应用： (3)BCS理论 (3)量子霍尔效应 (5)实际应用： (6)IMEC开发的硅纳米线太阳能电池利用量子效应使转换效率达30％以上 (6)研究前沿动态： (8)总结与个人观点： (13)概念定义：一维势阱模型中，粒子运动范围越小，能级差就越大，从这一规律定性地更复杂的三维体系就不难理解：普通金属费米能级附近的准连续能级在纳米颗粒中会变为离散能级，而半导体中本来存在的窄能障在纳米颗粒中会变宽，当这种能级差大于热能，电场能或者磁场能时，就会呈现出与宏观物体不同的反常特性，即量子尺寸效应。
举例：金属在超微颗粒时可变为绝缘体，磁矩大小与颗粒中电子数的奇偶有关，光谱线向短波移动，等等。
应用理论应用：BCS理论BCS 理论是解释常规超导体的超导电性的微观理论（所以也常意译为超导的微观理论）。
该理论以其发明者约翰·巴丁（John Bardeen）、利昂·库珀（L.V.Cooper）和约翰·罗伯特·施里弗（J.R.Schrieffer）的名字首字母命名。
某些金属在极低的温度下，其电阻会完全消失，电流可以在其间无损耗的流动，这种现象称为超导。
超导现象于1911年发现，但直到1957年，巴丁、库珀和施里弗提出BCS理论，其微观机理才得到一个令人满意的解释。
BCS理论把超导现象看作一种宏观量子效应。
它提出，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓“库珀对”，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。
在BCS理论提出的同时，尼科莱·勃格留波夫（Nikolai Bogoliubov）也独立的提出了超导电性的量子力学解释，他使用的勃格留波夫变换至今为人常用。
电子间的直接相互作用是相互排斥的库伦力。
如果仅仅存在库伦力直接作用的话，电子不能形成配对。
但电子间还存在以晶格振动（声子）为媒介的间接相互作用：电声子交互作用。
电子间的这种相互作用是相互吸引的，正是这种吸引作用导致了“库珀对”的产生。
大致上，其机理如下：电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。
这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。
在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。
量子霍尔效应量子霍尔效应，一般被看作是整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的统称。
整数量子霍尔效应被马普所的德国物理学家冯·克利青发现。
他因此=获得1985年诺贝尔物理学奖。
[1]分数量子霍尔效应被崔琦、施特默和赫萨德（A. C. Gossard）发现[2]，前两者因此与劳赫林（Robert Betts Laughlin）分享1998年诺贝尔物理学奖。
整数量子霍尔效应最初在高磁场下的二维电子气中被观测到；分数量子霍尔效应通常在迁移率更高的二维电子气下才能被观测到。
重要意义整数量子霍尔效应：量子化电导e2/h被观测到,为弹道输运(ballistic transport)这一重要概念提供了实验支持。
分数量子霍尔效应：劳赫林与J·K·珍解释了它的起源[3][4]。
两人的工作揭示了涡旋(vortex)和准粒子(quasi-particle)在凝聚态物理学中的重要性。
研究前景整数量子霍尔效应的机制已经基本清楚，而仍有一些科学家，如冯·克利青和纽约州立大学石溪分校的V·J·Goldman，还在做一些分数量子效应的研究。
Graphene中的量子霍尔效应与一般的量子霍尔行为大不相同，称为反常量子霍尔效应(Anomalous Quantum Hall Effect)。
此外，Hirsh[5]、张守晟[6]等提出自旋量子霍尔效应的概念,与之相关的实验正在吸引越来越多的关注。
实际应用：IMEC开发的硅纳米线太阳能电池利用量子效应使转换效率达30％以上在太阳能电池领域，瞄准下下代太阳能电池的各种构想不断涌现。
其中一种设想是在底板上排列细线状的硅（硅纳米线）。
包括美国通用电气（General Electric）在内，目前世界各地都在进行开发。
大多数的开发者的开发目的在于通过制成线状减少硅用量从而降低成本，以及利用密布的硅纳米线减少光反射。
与此相比，比利时IMEC的目的则在于利用硅纳米线的量子效应。
在2009年11月9日于东京举行的“IMEC Executive Seminar”上，IMEC光伏业务总监Jef Poortmans 介绍了硅纳米线太阳能电池的开发现状。
IMEC的目标是实现在硅底板上形成硅纳米线的太阳能电池。
硅底板的带隙为1.1eV，而利用量子效应的硅纳米线为1.7～1.8eV。
组合带隙不同的硅底板和硅纳米线，可期待提高效率。
Poortmans表示：“如果这一设想能够实现，转换效率将达到约33％”。
目前，IMEC正在尝试试制适于太阳能电池的硅纳米线。
要实现1.7～1.8eV的带隙，硅纳米线的直径需要降至2～4nm。
为形成这种极细的硅纳米线，IMEC采用了为制造新一代半导体而开发的EUV曝光。
不过，即使采用EUV曝光和蚀刻，也只能形成直径为40～65nm的硅纳米线。
因此，对直径为40～65nm的硅纳米线进行氧化之后，利用HF气体去除氧化部分使其进一步变细。
目前，利用这种方法获得了直径为8～25nm左右的硅纳米线。
作为其他目标的硅纳米线间距（90nm）和长度（500nm）在EUV曝光和蚀刻时得以实现。
今后将利用EUV曝光和蚀刻将直径减至30nm，然后利用氧化和HF气体将直径减至3nm。
获得适用于太阳能电池的直径3nm硅纳米线之后，将进一步确认太阳能电池的特性。
为了利用量子效应实现硅纳米线，不仅要对线进行微细化，还要开发取代EUV曝光的低成本制造方法。
对于研制下下代太阳能电池，还需要进一步的技术创新。
研究前沿动态：Unique Quantum Effect Found in Silicon Nanocrystals July 24, 2007Researchers at the U.S. Department of Energy’s National Renewable Energy Laboratory, collaborating with Innovalight, Inc., have shown that a new and important effect called Multiple Exciton Generation (MEG) occurs efficiently in silicon nanocrystals. MEG results in the formation of more than one electron per absorbed photon.Ads by GooglePhotovoltaics Research - Thin Film PV and Batteries 2009-29 New Market report from IDTechEx -/pvSilicon is the dominant semiconductor material used in present day solar cells, representing more than 93 percent of the photovoltaic cell market.Until this discovery, MEG had been reported over the past two years to occur only in nanocrystals (also called quantum dots) of semiconductor materials that are not presently used in commercial solar cells, and which contained environmentally harmful materials (such as lead).The new result opens the door to the potential application of MEG for greatly enhancing the conversion efficiency of solar cells based on silicon because more of the sun’s energy is converted to electricity. This is a key step toward making solar energy morecost-competitive with conventional power sources.In a paper published on July 24 in the initial on-line version of the Amer ican Chemical Society’s Nano Letters Journal, an NREL team reported that silicon nanocrystals, or quantum dots, obtained from Innovalight can produce more than one electron from single photons of sunlight that have wavelengths lessthan 420 nm. When today’s photovoltaic solar cells absorb a photon of sunlight, about 50 percent of the incident energy is lost as heat. MEG provides a way to convert some of this energy lost as heat into additional electricity.The silicon nanocrystals produced by Innovalight, Inc., a thin-film solar cell developer based in Santa Clara, California, were studied at NREL as part of a collaboration between NREL and Innovalight scientists. The NREL team consisted of Matthew C. Beard, Kelly P. Knutsen, Joseph M. Luther, Qing Song, Wyatt Metzger, Randy J. Ellingson and Arthur J. Nozik.The findings represent an important extension of the range of semiconductor materials that exhibit MEG and are a further confirmation of pioneering work by Nozik, who in 1997 predicted that semiconductor quantum dots could exhibit efficient electron multiplication and hence increase the efficiency of solar cells.To date, all experiments showing the production of more than one electron per absorbed photon have been based on various types of optical spectroscopy. In a solarcell device it is necessary to extract the electrons produced in the quantum dots and pass them through an external circuit to generate electrical power. Such experiments are currently underway at NREL, Innovalight and other laboratories to demonstrate that MEG can indeed lead to enhanced solar cell efficiencies. Calculations at NREL by Mark Hanna and Nozik have shown that the maximum theoretical efficiency of quantum dot solar cells exhibiting optimal MEG is about 44 percent with normal unconcentrated sunlight and 68 percent with sunlight concentrated by a factor of 500 with special lenses or mirrors. Today’s conventional solar cells that produce one electron per photon have maximum efficiencies of 33 percent and 40 percent, respectively, under the same solar conditions.In addition to efficiently extracting the electrons from the quantum dots in solar cells, future research is directed toward producing MEG at wavelengths that have a greater overlap with the solar spectrum, as well as producing a much sharper onset of the MEG processes with decreasing wavelength of the photons.Source: NREL（译文：《纳米快报》：科学家在硅纳米晶体中发现独特的量子效应美国能源部的可更新能源国家实验室（NREL）的科学家们与Innovalight公司合作，在硅纳米晶体中发现了一种叫做多重激子产生（MEG）的重要效应。
