“這是首次演示的一種混合無機/有機二聚體（兩粒子）材料，可以作為電子給予體-橋鏈-接受體（donor-bridge-acceptor）系統，把光轉化為電流，”布魯克海文國家實驗室物理化學家米爾恰•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，發表于《應用化學》（Angewandte Chemie）。

通過改變連接分子的長度和量子點的大小，科學家們可以控制的速率和量級屬于波動的光誘導電子轉移（light-induced electron transfer），可以控制在單個二聚體水平。“這種控制使得這些二聚體成為很有前途的發電單元，可用于分子電子學或更高效的太陽能電池，”考特萊特說，和他指導這項研究的，有材料科學家徐致華（Zhihua Xu），都是在布魯克海文國家實驗室功能性納米材料中心進行的。

科學家尋求開發分子電子學，他們非常感興趣的是有機給予體-橋鏈-受體系統，因為這有廣泛的電荷傳輸機制，也因為它們的電荷傳輸特性可以控制，只需改變其化學性質。近年來，量子點已結合電子接受材料，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發射性能將提高這些設備的效率。但到目前為止，這些系統的電轉換率仍然相當低。

“有些工作是了解所涉及的程序，以設計優化系統，這些工作一般都是考察平均性能的混合或逐層組裝結構（layer-by-layer structures），而不是考察反應性，就是單個控制嚴密的混合供受體結構（donor-acceptor architectures）的反應性，”徐致華說。

這是一種精密的制造方法，開發者是布魯克海文國家實驗室的科學家，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，進行光致電子轉移（light-induced electron transfer），這種轉移是在單個量子點與電子受體富勒烯之間進行，屬于單分子水平。

整個裝配過程發生在一個表面，采取逐步實施的方式，限制相互作用的成分（粒子），否則就可能結合為各種不同情況，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到可控制的一對一粒子配對。

為了確定最佳的粒子結構布局，科學家戰略性地改變了量子點的大小，量子點吸光和發光具有不同頻率，原因就在于它們的大小，科學家也改變了橋鏈分子的長度，這種分子連接納米粒子。對于每一個布局，他們都測量電子轉移速率，采用的是單分子光譜。

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

科學家發現，減少量子點大小和連接分子的長度，可以提高電子傳遞速度，抑制電子轉移波動。

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

“學習電荷分離和重組過程，在這些簡化和控制良好的二聚體結構中，可以幫助我們了解更復雜的光子到電子的轉換，就是這種轉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。

一項美國專利申請正等待核準，所述方法和材料就是源于使用這項技術，這種技術可以授權。

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