休斯敦——（2023 年 1 月 4 日）——莱斯大学和德克萨斯大学奥斯汀分校的化学家发现，在半导体纳米晶体表面填充电荷受体分子时，更多并不总是更好。

莱斯大学和德克萨斯大学奥斯汀分校的化学家表明，在半导体纳米晶体表面添加更多的电荷接受配体可以产生配体-配体相互作用，从而降低混合纳米材料中的电子转移速率。（图片由 P. Rossky/莱斯大学提供）

混合纳米材料中有机和无机成分的组合可以定制，以独特的方式捕获、检测、转换或控制光。对这些材料的兴趣很高，在过去 20 年中，关于它们的科学出版速度增长了十倍以上。例如，它们可以通过从太阳光波长（如红外线）中收集能量来提高太阳能发电系统的效率，而传统的光伏太阳能电池板无法捕捉到这些能量。

为了制造这种材料，化学家将光捕获半导体的纳米晶体与充当配体的“电荷受体”分子结合在一起，这些分子附着在半导体表面并将电子从纳米晶体中传输出去。

“研究最多的纳米晶体系统具有高浓度的电荷受体，这些电荷受体直接与半导体晶体结合。”莱斯化学家彼得罗斯基说，他是美国化学学会杂志最近一项研究的共同通讯作者。“一般来说，人们试图最大化电荷受体的表面浓度，因为他们期望电子转移速率随着表面受体浓度的增加而不断增加。”

彼得罗斯基

肖恩·罗伯茨

一些已发表的实验表明，电子转移率最初随着表面受体浓度的增加而增加，然后如果表面浓度继续增加则下降。Rossky 和共同通讯作者、德克萨斯大学奥斯汀分校的化学副教授Sean Roberts知道配体的分子轨道可以以可能影响电荷转移的方式相互作用，并且他们预计会有一个点将更多的配体堆积到晶体表面上产生这样的相互作用。

Rossky 和 ​​Roberts 是水稻缺陷适应特征中心(CAFF)的联合首席研究员，该中心是一个由美国国家科学基金会 (NSF) 支持的多大学项目，旨在利用材料中的微观化学缺陷来制造创新催化剂、涂料和电子产品。

为了验证他们的想法，罗斯基、罗伯茨和 CAFF 的同事系统地研究了含有硫化铅纳米晶体和不同浓度的经常研究的有机染料苝二酰亚胺 (PDI) 的混合材料。实验表明，不断增加纳米晶体表面 PDI 的浓度最终会导致电子转移速率急剧下降。

Rossky 说，这种行为的关键是 PDI 分子之间的配体-配体相互作用对晶体表面 PDI 聚集体几何形状的影响。收集证据以显示这些聚集效应的影响需要每个研究小组的专业知识以及光谱实验、电子结构计算和分子动力学模拟的仔细组合。

罗伯茨说：“我们的结果证明了在设计用于电荷分离的光激活杂化纳米晶体材料时考虑配体-配体相互作用的重要性。我们表明配体聚集在某些情况下肯定会减慢电子转移。但有趣的是，我们的计算模型预测配体聚集也可以在其他情况下加速电子转移。”

Rossky 是莱斯大学的 Harry C. 和 Olga K. Wiess 自然科学主席，也是化学和化学与生物分子工程学教授。

该研究得到了美国国家科学基金会 (CHE-2124983、CNS-1338099、DGE-1610403) 和韦尔奇基金会 (F-1885、F-1188) 的支持。美国国立卫生研究院 (OD021508) 提供了仪器支持；对高性能计算的支持由 Advanced Micro Devices Inc. 和赖斯的研究计算中心提供。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。