“這是首次演示的一種混合無機(jī)/有機(jī)二聚體（兩粒子）材料，可以作為電子給予體-橋鏈-接受體（donor-bridge-acceptor）系統(tǒng)，把光轉(zhuǎn)化為電流，”布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室物理化學(xué)家米爾恰•考特萊特（Mircea Cotlet）說，他是論文的主要作者，這篇論文描述二聚體及其裝配方法，發(fā)表于《應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie）。

通過改變連接分子的長度和量子點(diǎn)的大小，科學(xué)家們可以控制的速率和量級屬于波動的光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（light-induced electron transfer），可以控制在單個(gè)二聚體水平。“這種控制使得這些二聚體成為很有前途的發(fā)電單元，可用于分子電子學(xué)或更高效的太陽能電池，”考特萊特說，和他指導(dǎo)這項(xiàng)研究的，有材料科學(xué)家徐致華（Zhihua Xu），都是在布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室功能性納米材料中心進(jìn)行的。

科學(xué)家尋求開發(fā)分子電子學(xué)，他們非常感興趣的是有機(jī)給予體-橋鏈-受體系統(tǒng)，因?yàn)檫@有廣泛的電荷傳輸機(jī)制，也因?yàn)樗鼈兊碾姾蓚鬏斕匦钥梢钥刂?，只需改變其化學(xué)性質(zhì)。近年來，量子點(diǎn)已結(jié)合電子接受材料，如染料，富勒烯和鈦氧化物，可以制成染料敏化和混合太陽能電池，他們希望，吸光和依賴尺寸的量子點(diǎn)發(fā)射性能將提高這些設(shè)備的效率。但到目前為止，這些系統(tǒng)的電轉(zhuǎn)換率仍然相當(dāng)?shù)汀?/p>

“有些工作是了解所涉及的程序，以設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)，這些工作一般都是考察平均性能的混合或逐層組裝結(jié)構(gòu)（layer-by-layer structures），而不是考察反應(yīng)性，就是單個(gè)控制嚴(yán)密的混合供受體結(jié)構(gòu)（donor-acceptor architectures）的反應(yīng)性，”徐致華說。

這是一種精密的制造方法，開發(fā)者是布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，這使他們可以小心控制粒子大小和粒子間的距離，探索條件，進(jìn)行光致電子轉(zhuǎn)移（light-induced electron transfer），這種轉(zhuǎn)移是在單個(gè)量子點(diǎn)與電子受體富勒烯之間進(jìn)行，屬于單分子水平。

整個(gè)裝配過程發(fā)生在一個(gè)表面，采取逐步實(shí)施的方式，限制相互作用的成分（粒子），否則就可能結(jié)合為各種不同情況，如果組裝采用基于溶液的方法，就會這樣。這種表面裝配也能達(dá)到可控制的一對一粒子配對。

為了確定最佳的粒子結(jié)構(gòu)布局，科學(xué)家戰(zhàn)略性地改變了量子點(diǎn)的大小，量子點(diǎn)吸光和發(fā)光具有不同頻率，原因就在于它們的大小，科學(xué)家也改變了橋鏈分子的長度，這種分子連接納米粒子。對于每一個(gè)布局，他們都測量電子轉(zhuǎn)移速率，采用的是單分子光譜。

“這種方法消除了總體平均值，揭示了系統(tǒng)的異質(zhì)性，例如波動的電子傳輸速率，這些是傳統(tǒng)光譜方法不能做到的”考特萊特說。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，減少量子點(diǎn)大小和連接分子的長度，可以提高電子傳遞速度，抑制電子轉(zhuǎn)移波動。

“這樣抑制電子轉(zhuǎn)移波動，在二聚體中具有更小的量子點(diǎn)尺寸，導(dǎo)致更穩(wěn)定的電荷生成速度，這可能正面影響應(yīng)用這些二聚體，就是應(yīng)用于分子電子學(xué)，也有望用于微型和大面積太陽能電池，”考特萊特說。

“學(xué)習(xí)電荷分離和重組過程，在這些簡化和控制良好的二聚體結(jié)構(gòu)中，可以幫助我們了解更復(fù)雜的光子到電子的轉(zhuǎn)換，就是這種轉(zhuǎn)換在大面積太陽能電池中的情況，最終可提高光電效率，”徐致華說。

一項(xiàng)美國專利申請正等待核準(zhǔn)，所述方法和材料就是源于使用這項(xiàng)技術(shù)，這種技術(shù)可以授權(quán)。

更多信息：《量子點(diǎn)橋鏈富勒烯赫雷羅二聚體與可控光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移》（Quantum Dot-Bridge-Fullerene Heterodimers with Controlled Photoinduced Electron Transfer），