激光结合器件集成助力光升频 应用太阳能电池和纳米制药更有效

图片来源: Tommy LaVergne/莱斯大学

莱斯大学教授的将光升频的方法可以使太阳能电池更有效率，并且使治疗疾病的纳米颗粒更有效。

电气和计算机工程助理教授Gururaj Naik引领的实验中，结合了等离激元金属和半导体量子阱，以提高光的频率，改变其颜色。

在纳米级样品上，斯坦福大学的博士后研究员Naik，研发了一款专门定制的塔，该塔被绿色光击中，产生更高能量的蓝色辉光。他说：“我采用低能量光子并将其转换成高能光子。”

Naik说，有效的光的升频可能会让太阳能电池转而额外消耗红外太阳光并转化为电能或帮助光敏纳米微粒治疗病变细胞。

这项研究刊登在美国化学学会的“Nano Letters”上。

魔法发生在塔的内部，塔横向测量大约100纳米的范围。当被特定波长的光激发时，塔的尖端上的金点将光能转换成等离子体，像池塘上的波纹一样，等离子体能量的波形有节奏地溅射在横跨金表面。等离激元寿命是短暂的，当他们衰落时，他们以两种方式之一释放自己的能量；它们或者激发光中的一个光子，或者通过传输它们的能量给一个电子-一个“热”电子-来产生热量。

在斯坦福大学Naik的研究受到了以及纳米光子学实验室的NaomiHalas教授和Peter Nordlander教授的突破性的工作的启发，他们已经表明，激发等离激元的材料也激发了“热载流子”- 电子和空穴-在材料内部（空穴是当电子被激发到更高的状态时产生的空位，使其原子产生一个正电荷。）

在一年前加入了莱斯大学的学院的Naik教授说到：“等离子体激元在将光压缩到纳米尺度方面真的很棒。”，“但是，这一切都是以某种东西为代价的，Halas和Nordlander表示，你可以以电能的形式提取光学损耗，我的想法是把电能转换回至光的形式。”

他使用设计了氮化镓和氮化铟镓的轮换层的塔，顶层镀上一层薄薄的金并被银包围。Naik的策略是将热电子和热空穴导向作为电子捕获量子阱的氮化镓和氮化镓铟基底，而不是让热载流子逃走。这些阱具有固定的能带隙，该能带隙隔绝电子和空穴，直到它们以足够的能量跨越能带间隙重新组合，并以更高的频率释放光子。

Naik说，现今用于片上通信、光动力治疗、安全和数据存储的上升频器的效率在5％到10％的范围内。量子理论证实最高可达到50％的效率（“因为我们吸收两个光子来发射一个光子”），但他说，25％是他的方法的实际目标。

Naik表示，他的设备可以通过改变粒子的大小和形状以及层的厚度进行调整。他说：“基于镧系元素和有机分子的升频器会以设定的频率发射和吸收光，因为它们被固定在原子或分子能量水平。“我们可以设计量子阱并调整其能带间隙以在我们想要的频率范围内发射光子，并且类似地设计以不同的频率吸收的金属纳米结构。这意味着我们几乎可以独立地设计吸收和发射，这在以前是不可能的。

在与Stanley Dionne合作发表了一篇为其实验做准备的理论性文章后，Naik在Stanley Dionne的斯坦福大学实验室工作的同时，建立并测试了塔阵列概念原型。

“这是一个固态设备”，Naik就原型机说到。“下一步是通过用适当尺寸和形状的金属涂覆量子点来制造独立的颗粒。”

他表示，这些作为医疗造影剂或药物输送载体显示出潜力。Naik说：“红外光对组织具有更深的穿透力，蓝光可以引起药物输送所必需的反应。”，“人们使用升频器将药物传递到身体的所需部分，并从外部照射红外线来传递药物并使药物活跃。

他说，颗粒物也可以制作一种不可见的墨水。“你可以使用一个升频器写字，没有人会知道你写的内容，直到你用高强度红外线照射，且字的颜色转换成可见光。”