量子点等光敏材料中的能量转移有望助力制造性能更好的太阳能电池、LED及其他器件。MIT化学系研究生A. Jolene Mork研究能量从一个量子点转移到另一个量子点的速度，这种现象称为跳跃。
Mork是这篇 《物理化学期刊》论文 的第一作者。该论文分析了胶体量子点中的能量转移。“研究的不是激子在薄膜中能走多远，而是它从一个量子点转移到另一个量子点有多快，”她说。Mork是MIT五年级研究生，在 William A. Tisdale的实验室工作。Tisdale是MIT化学工程系Charles and Hilda Roddey职业发展教授。
Mork的研究表明，用于计算分子能量转移速率的标准公式——Förster理论——可能不足以解释激子从一个量子点移动到另一个量子点的过程。“标准假设认为，中心到中心的距离才是关键。所以我们认为，边缘到边缘的距离也可能有影响，”Mork说。
紧密束缚
例如，当量子点吸收来自激光等光源的光子时，它会将光能转化为激发态，形成激子。激子由一对电子和空穴组成，二者因电荷相反而相互吸引。与允许电子和空穴分离的硅等材料不同，量子点产生的激子非常小，电子和空穴无法彼此远离，因此紧密束缚在一起。
“到了一定时候，量子点会趋向于回到基态，因为那是整体能量最低的状态。它回到基态的方式，要么是把能量转移给另一个量子点，而转出能量的量子点则回到基态；要么是量子点发射一个光子，然后也回到基态，”Mork解释说。“所以每个量子点都在试图达到最低能量状态，而实现这一点有几种不同的方式。”
每个量子点都有发射光谱或吸收光谱，决定它能发射或吸收什么波长的光能。“Förster理论描述了能量从供体转移到受体的速率，而该速率由光谱重叠以及两者之间的距离决定，”Mork说。
Mork补充说，在标准假设下，激子被建模为位于量子点中心的微小偶极子。“这对分子适用，因为分子很小；但量子点由数千个原子构成，比分子大得多。在这些情况下，将量子点仅建模为中心的一个偶极子，可能不是恰当的假设，”她解释道。该研究报告称，实测能量转移速率比Förster理论预期值高出10倍以上。
谈及Mork的研究，Tisdale指出，Mork实验室同事 Mark Weidman 曾前往纽约州长岛的布鲁克海文国家实验室国家同步辐射光源，开展量子点薄膜的掠入射小角X射线散射（GISAXS）和广角X射线散射（WAXS）研究。
测量扩散
Mork是Tisdale、Vladimir Bulovic和Adam Willard教授合作 研究 的共同作者。该研究探讨量子点固体中的扩散，测量了激子寿命并建立了激子扩散长度模型。Mork协助制备样品，并进行了光谱分辨和时间相关光谱测量。
“我们研究的是激子扩散长度，”Mork解释说。“一个量子点吸收光子后，可以发生能量转移；这是一个非辐射过程，因此不会发射光子。随后另一个量子点吸收能量，并将能量直接转给另一个量子点。能量就这样继续转移给一定数量的其他量子点。光子最终发射的位置与最初吸收的位置之间的距离，就是激子扩散长度。”
在一项相关的能量转移研究中，Tisdale团队展示了一种将无机量子点与二硫化钼半导体耦合的系统，并证明通过改变量子点尺寸，可以使其发出不同颜色的光。“这是供体与受体之间的近场偶极—偶极耦合，”Tisdale解释说。“从量子力学角度看，可以把这个激子看作电子—空穴对，也就是一个电子和一个空穴；从经典角度看，则可以把它看作振荡偶极子。这个振荡偶极子能以相同频率在周围诱发极化。如果邻近材料（例如二硫化钼）具有共振频率，就能吸收这份能量；能量便可从量子点转移到二硫化钼（MoS2）。因此，你可以把它想成激子跳跃过去，也可以把它想成这里的一个偶极子将自身能量转移给那边的另一个偶极子。两种描述在物理上等价，只是图像不同、描述方式不同。”
Tisdale说，Mork研究的一项启示是：如果使用在溶液中测得的量子点性质，就会错误预测这种可在薄膜中发生的激子跳跃的距离或特征距离，因为薄膜中还存在其他影响Förster半径大小的效应。
典型的量子点由一种材料的核、另一种材料的壳层以及附着的有机分子（即配体）组成。附着在壳层上的配体尺寸也会影响量子点，并决定其颗粒间距。“量子点LED使用长配体量子点，而量子点太阳能电池使用短配体量子点，以调节激子扩散长度，”Mork说。
“我们正尝试通过改变壳层厚度来改变颗粒间距，而不是使用配体。这样做值得关注，因为它会改变薄膜的一些介电性质，也会改变折射率，而折射率是Förster速率方程中的一个常数，”Mork说。她还在研究振动能引发的能量转移。“在所有振动研究中，我都亲自制备量子点、进行各种配体交换化学，并对它们做光谱测量，”她说。这项工作可能推动热电材料应用；这类材料具有高电导率、低热导率。“你或许能够分别调节这两种性质，而许多热电材料中的这两种性质往往以相同方式变化，”她说。
Mork说，能量通常从发射高能光子的量子点转移到发射低能光子的量子点。因此，经过多次转移后，发射出的光子会越来越偏红。“这意味着，如果你想用量子点制造特定颜色的LED，例如，薄膜中最偏红的量子点对最终光色的决定作用会比你仅根据整体发射光谱所预想的更大，”她解释说。
Mork现年26岁，出生于华盛顿州肖尔莱恩市（西雅图郊区），毕业于明尼苏达州诺斯菲尔德的卡尔顿学院。她在MIT师从John D. MacArthur教授Timothy M. Swager，获得有机化学硕士学位。她预计于2016年在MIT获得博士学位。
本文由 MIT新闻合作发布。本文的发布并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Denis Paiste是MIT新闻特约撰稿人。
图片：2011年3月2日，在东京举行的第四届国际光伏发电展（PV Expo）上，一名女子在太阳能组件供应商Upsolar的太阳能电池板展示旁形成剪影。路透社。
