Thủ thuật ánh sáng mới trong ống nano cacbon có thể tăng cường năng lượng mặt trời
Bởi RIKEN9 tháng 5 năm 2025
Các nhà nghiên cứu đã giải mã cách ống nano cacbon khuếch đại năng lượng ánh sáng đi vào, với phonon thúc đẩy exciton thành phát xạ năng lượng cao hơn. Những phát hiện này có thể khơi dậy công nghệ mới trong lĩnh vực năng lượng và hình ảnh. Nguồn: SciTechDaily.com
Các nhà khoa học RIKEN đã tiết lộ cách ống nano cacbon có thể phát ra ánh sáng mạnh hơn ánh sáng mà chúng hấp thụ, nhờ vào tương tác phonon và sự hình thành exciton tối. Điều này có thể mở đường cho những đột phá trong năng lượng mặt trời và các thiết bị quang tử tương lai.
Ba nhà vật lý từ Trung tâm quang tử tiên tiến RIKEN của Nhật Bản đã phát hiện ra cách các ống cacbon siêu mỏng, được gọi là ống nano cacbon, có thể phát ra ánh sáng mang nhiều năng lượng hơn ánh sáng mà chúng hấp thụ. Khám phá đáng ngạc nhiên này có thể mở đường cho các công nghệ mới trong thu năng lượng mặt trời và hình ảnh sinh học tiên tiến.
Hầu hết chúng ta đều quen thuộc với cách một số vật liệu phát sáng dưới ánh sáng cực tím (UV), như sơn huỳnh quang. Đây là những ví dụ điển hình về phát quang quang học, trong đó vật liệu hấp thụ tia UV năng lượng cao rồi giải phóng ánh sáng khả kiến năng lượng thấp hơn.
Trường hợp kỳ lạ của chuyển đổi lên
Nhưng ở một số vật liệu, điều ngược lại có thể xảy ra. Chiếu ánh sáng năng lượng thấp vào chúng và chúng phát ra ánh sáng năng lượng cao hơn. Quá trình hiếm gặp và phản trực giác này được gọi là phát quang quang học chuyển đổi lên (UCPL). Nó ngày càng được quan tâm vì nó có thể cải thiện hiệu suất của pin mặt trời bằng cách chuyển đổi ánh sáng năng lượng thấp không sử dụng được thành ánh sáng năng lượng cao tạo ra điện.
Trong quá trình phát quang quang học thông thường, ánh sáng đi vào kích thích một electron, đưa nó lên mức năng lượng cao hơn và để lại một "lỗ" tích điện dương. Electron và lỗ trong thời gian ngắn tạo thành trạng thái liên kết gọi là exciton. Cuối cùng, chúng kết hợp lại, giải phóng ánh sáng.
Hình 1: Khi ánh sáng hồng ngoại (tia màu cam) chiếu vào một ống nano cacbon treo trên rãnh trong chất nền silicon, ống nano phát ra ánh sáng có năng lượng cao hơn (tia màu tím). Ba nhà nghiên cứu của RIKEN đã xác định được cách thức xảy ra hiện tượng này. Tín dụng: © 2025 Trung tâm Photonics tiên tiến RIKEN
Tương tác Phonon tăng cường năng lượng cho UCPL
Trong quá trình phát quang thông thường, exciton mất năng lượng cho vật liệu và do đó ánh sáng phát ra mang theo ít năng lượng hơn ánh sáng đi vào. Tuy nhiên, trong UCPL, exciton nhận được năng lượng tăng cường từ vật liệu bằng cách tương tác với các rung động trong đó được gọi là phonon.
Hiện nay, Yuichiro Kato và hai đồng nghiệp, tất cả đều tại Trung tâm Photonics tiên tiến RIKEN, đã xác định chính xác cách UCPL hoạt động trong các ống nano carbon một lớp—hình trụ carbon giống như ống hút chỉ rộng vài phần tỷ mét.
Các lý thuyết trước đây cho rằng UCPL chỉ có thể xảy ra trong các ống nano carbon một lớp nếu exciton bị giữ tạm thời bởi các khuyết tật trong cấu trúc của ống nano. Nhưng các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng UCPL xảy ra với hiệu suất cao ngay cả trong các ống nano không có khuyết tật, cho thấy rằng một cơ chế thay thế đang hoạt động.
Dark Exciton: Bí mật để phát xạ năng lượng cao hơn
Bộ ba phát hiện ra rằng khi một electron bị kích thích bởi ánh sáng, nó nhận được năng lượng tăng cường đồng thời từ phonon để tạo thành trạng thái 'dark exciton'. Sau khi mất một ít năng lượng, cuối cùng exciton phát ra ánh sáng với nhiều năng lượng hơn tia laser tới.
Việc tăng nhiệt độ tạo ra hiệu ứng UCPL mạnh hơn, xác nhận các dự đoán của mô hình của họ. Kato cho biết: "Phonon có nhiều hơn ở nhiệt độ cao hơn, làm tăng khả năng chuyển đổi qua trung gian phonon".
Yuichiro Kato (thứ năm từ trái sang) và nhóm của ông đã nghiên cứu cách phát quang quang chuyển đổi lên trong ống nano carbon có thể được sử dụng để tăng năng lượng cho ánh sáng trong các ứng dụng năng lượng mặt trời hoặc làm mát bằng laser. Tín dụng: © 2025 RIKEN
Khả năng trong tương lai cho năng lượng và làm mát
Các nhà nghiên cứu có kế hoạch nghiên cứu khả năng làm mát ống nano bằng cách sử dụng chiếu sáng laser để loại bỏ năng lượng nhiệt bằng UCPL và khám phá các cơ hội thu năng lượng để tạo ra một thiết bị dựa trên ống nano.
“Bằng cách thiết lập một mô hình nội tại của UCPL trong các ống nano carbon thành đơn, chúng tôi hy vọng sẽ mở ra những khả năng mới để thiết kế các thiết bị quang điện tử và quang tử tiên tiến”, Kato cho biết.
Tài liệu tham khảo: “Intrinsic process for upconversion photoluminescence via -momentum–phonon coupling in carbon nanotubes” của Daichi Kozawa, Shun Fujii và Yuichiro K. Kato, ngày 10 tháng 10 năm 2024, Physical Review B.
DOI: 10.1103/PhysRevB.110.155418
