LED 和激光器 - 对包晶石的新认识可能颠覆性能指标

科学家们正在深入研究透辉石，以便更好地了解这种应用广泛的材料，包括电子学、能量存储、激光、光电子学、葡萄糖传感器等。但它究竟是什么呢？

透辉石是一种由钙、钛和氧组成的天然矿物，晶体结构为 CaTiO₃，分子式为 ABX3。它于 1839 年在俄罗斯首次被发现。与矿物透辉石具有相同晶体结构的一类材料也被称为透辉石材料。

资料来源 法布尔矿业公司

过氧化物具有铁电、介电、压电和热电行为等优异的物理特性以及催化活性和氧传输能力等化学特性，使其成为材料科学中最重要的结构类别之一。这使它们成为燃料电池、存储设备和光伏应用的潜在候选材料。

它们还可用于太阳能电池，将阳光转化为电能，以及获取清洁能源和降解有机污染物。

鉴于透辉石可能有助于推动各种不同行业的发展，科学家们试图更好地了解透辉石也就在情理之中了。

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从原子层面了解过氧化物，实现更好的控制

在美国国家科学基金会的支持下，北卡罗来纳州立大学的研究人员发现了一种通过在分子水平上研究层状杂化过氧化物（LHPs）来制造它们的方法。

这一突破使我们能够以前所未有的方式控制 LHP 的发光特性，从而大大推动激光和 LED 技术的发展。此外，它还为在光伏设备中使用其他材料带来了希望。

层状杂化过氧化物（LHP）根据 研究量子阱（QWs）已成为下一代能源和光子应用领域前景广阔的半导体材料。在这方面，控制量子阱（QW）的分布、尺寸和取向极为重要。

LHP 由非常薄的过氧化物半导体材料片组成。这些薄片之间由薄薄的有机 "间隔 "层隔开。

由于这些由多层包晶和 "间隔 "层组成的薄膜能够有效地将电荷转化为光，因此多年来，研究界一直对 LHP 颇感兴趣。然而，人们对如何设计它们以控制其性能特征的了解仍然有限。

要了解它们，我们必须从量子阱开始，量子阱是夹在 "间隔 "层之间的半导体材料薄片。

它们是在 LHP 中形成的层。两原子厚的量子阱比五原子厚的量子阱能量更高。

由于能量在分子水平上从高能结构流向低能结构，因此我们需要在两到五原子厚的量子阱之间设置三到四个原子厚的量子阱，让能量高效流动。

"从根本上说，你希望有一个渐变的斜坡，让能量可以逐级向下"。

- 论文共同作者、北卡罗来纳州立大学物理学教授 Kenan Gundogdu

然而，人们在研究 LHP 时不断遇到一个异常现象。这种反常现象就是通过 X 射线衍射观察到的 LHP 样品中量子阱的尺寸分布，与使用光学光谱检测到的不同。

论文通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程学教授 Aram Amassian 举例说明了衍射如何显示量子阱具有两个原子的厚度，并且是三维体晶体的一部分。同时，光谱学可以揭示量子阱有两个、三个和四个原子的厚度，以及三维体相的存在。

于是，研究小组开始寻找答案：为什么两者之间会出现这种脱节，以及如何控制 LHP 中量子阱的大小和分布？

通过实验，研究小组发现纳米片（NPLs）是关键因素。NPLs 是在研究人员用于制造 LHPs 的溶液表面自发形成的单个过氧化物材料薄片。

阿玛西安说："我们发现，这些纳米小板基本上是在其下面形成的层状材料的模板，"他指出，纳米小板的原子厚度决定了其下面 LHP 的厚度。

然而，纳米平板并不稳定，它们的厚度会随着时间的推移不断增加，并添加新的原子层。

"最终，纳米小板块长得非常厚，变成了三维晶体"。

- 阿玛西亚

因此，异常现象是由于衍射检测到了薄片的堆叠，但没有检测到纳米板，而光学光谱检测到的是孤立的薄片。他补充道：

"令人兴奋的是，我们发现我们基本上可以以一种可控的方式阻止纳米小板的生长，基本上可以调整 LHP 薄膜中量子阱的大小和分布"。

通过这种方法，研究人员可以获得超强的能量级联，这对高重现性、低阈值和环境光稳定性至关重要。

这意味着这种材料在激光和 LED 应用中能够快速、高效地输送电荷和能量。

由于纳米颗粒在 LHP 中形成包晶层的过程中起着至关重要的作用，研究人员开始研究能否利用 NPL 来设计其他包晶材料的结构和性能，包括太阳能电池和其他光伏技术中使用的材料。

"我们发现，纳米小板在其他过氧化物材料中也发挥着类似的作用，可以用来设计这些材料，以增强所需的结构，提高其光伏性能和稳定性"。

- Milad Abolhasani，合著者之一，北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程 ALCOA 教授

因此，研究小组利用 NLP 来控制三维过氧化物晶面的取向，提高宽带隙太阳能电池的稳定性和效率。

利用计算机模拟深入了解过氧化物

太阳能电池，或 光伏电池太阳能、风能和地热能因其环保优势而大受欢迎。毕竟，太阳能是清洁的、可再生的，而且不会产生温室气体排放。太阳光的数量也不受限制，因此很容易利用太阳能电池。

此外，自 2010 年以来，它们的成本已大幅下降，降幅高达 70%，这使它们变得经济实惠。技术的进步进一步提高了它们的性能和使用寿命。

因此，全球太阳能电池市场预计将达到 $730.74 亿美元 未来十年。

太阳能电池基本上是一种将太阳光直接转化为电能的装置。为此，它使用硅等材料，但科学家们正在寻找更高效、更稳定的材料，而过氧化物被视为一种很有前途的替代材料。

一段时间以来，科学家们一直在研究过氧化物太阳能技术，这些技术的进步打破了太阳能电池的效率记录。在太阳能电池中，过氧化物与硅配合使用，可以利用更多的太阳光谱，从而使每个电池产生更多的电能。

现在，瑞典查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）的研究人员通过利用计算机模拟和机器学习，已经能够对透辉石材料的功能有了新的认识，从而设计出高效稳定的光电设备。

随着研究人员利用机器学习对更大的系统进行研究，机器学习在科学界获得了广泛的关注。

因此，研究小组研究了一系列二维包晶材料，它们比三维材料更加稳定。

他们在计算机模拟中绘制了这种材料，然后将其置于不同的情景中，以详细了解究竟是什么导致了实验结果。研究小组能够获得比以前更广泛、更详细的概述，这在这里尤为重要，因为在这种材料的极薄层中，每一层都有不同的行为，而这在实验中是极难检测到的。

研究小组成员保罗-厄哈特教授帮助他们 "更深入地了解了二维过氧化物的工作原理"。

在二维包晶材料中，无机层相互堆叠，并由有机分子隔开。

"我们发现，通过选择有机连接体，可以直接控制表层原子的运动，以及这种运动如何影响包晶石层深处的原子运动。由于这种运动对光学特性至关重要，因此就像多米诺骨牌效应一样。

- 保罗-厄哈特

这位合著者表示，这种深刻的洞察力让人们有机会了解二维包晶材料的稳定性从何而来。

"（这有助于预测）哪种连接体和尺寸可以使材料更稳定，同时更高效"。

- 合著者 朱莉娅-维克多

Wiktor 补充说，下一步，团队将 "转向更复杂的系统，特别是对设备功能至关重要的接口"。

激光和 LED 技术的进步

由于包光体在多个高科技领域具有巨大的发展潜力，包括通过太阳能电池产生清洁能源、光电设备（如光电探测器和传感器）以及存储设备等，因此包光体的研究取得了长足的发展。

更重要的是，对于精度和效率最为重要的下一代激光设备以及对屏幕、照明和先进显示技术具有重要影响的 LED 技术来说，提高对包晶石材料的认识和研究 LHP 可以改变游戏规则。

通过对这些材料进行微调，我们可以获得光稳定性更高的高效激光器和能耗更低的高亮度发光二极管。

在飞速发展的科技世界中，激光和 LED 已成为各行各业的基础组件：通信、医疗设备、制造和节能照明。

简而言之，这些技术改变了我们与现代世界的互动方式。在使用过氧化物和量子阱结构方面取得的最新突破只是科学家们为推动激光和 LED 技术发展而探索的众多领域之一。

以下是激光和 LED 技术的一些最新进展：

激光二极管可以降低成本、提高光输出、改善光束距离和效率。由于这些优点，激光二极管正成为光学数据存储的重要组成部分。激光二极管的微型化也推动了自动驾驶汽车激光雷达系统的发展。

而超快激光器发射的脉冲在飞秒范围内，即四十亿分之一秒。因此，超快激光正越来越多地用于医疗手术和科学研究，特别是用于研究分子和原子级现象。

通过结合机器学习、人工智能和传感器，更先进的激光器正在诞生，它们可以自主运行，提高效率，并且更加精确。

激光三维打印是激光技术领域的另一个主要趋势，它利用激光源将材料有选择性地融合在一起，从而制造出复杂的物体。在增材制造领域，光纤激光器因其功率大、效率高、能以最小的损耗远距离传输光束而越来越受欢迎。

激光也越来越多地用于蚀刻。为此，从光纤激光器、二氧化碳激光器、晶体激光器到二极管激光器和二极管泵浦固态激光器等各种激光器都得到了应用。在一个实例中，弗林德斯大学的研究人员使用低功率激光对表面进行了修改，而数据存储通常需要昂贵的高功率激光。

在另一项研究中，我们报道了研究人员将一种非磁性材料暴露在高频激光辐射下，从而在室温下产生磁效应，这有可能为更节能、更快速的计算机和电子产品的革命铺平道路。

新型激光设备已经变得非常先进，甚至可以实时分析人的皮肤。它们还能对特定区域进行精确定位。钬（YAG）激光器是泌尿外科领域最著名的激光器之一。 脉冲调制技术.这项新技术允许脉冲和连续波模式。

激光器的发展还为我们带来了微激光器，这种激光器可高度定制，并具有很强的光学约束性和更强的光物质相互作用。

在 LED 领域，LED 的使用寿命大大延长，有助于节约能源。

LED 技术在汽车照明领域的应用势头尤其迅猛，因为它提高了能见度、能效和耐用性，从而增强了安全性。同时，在街道照明方面，LED 提供了更明亮的照明，并大大节约了能源。

在这方面，纳米技术正显示出对 LED 效率产生重大影响的潜力。量子点是一种极其微小的晶体，具有独特的特性，可以在整个可见光谱范围内调节发光，从而提供更多的色彩选择。QD-LED 具有更高的色彩准确度和亮度，因此在电视和显示器中正变得越来越普遍。

与此同时，传统 LED 的小型化版本--迷你和微型 LED 可使显示器具有更高的分辨率、更好的对比度和更高的能效。它们正被集成到下一代电视、AR/VR 设备和手机中，以提供更好的亮度和能效。 响应时间优于 OLED.

通过在 LED 中集成传感器和连接功能，研究人员还制造出了 "智能照明 "系统，可根据用户偏好或环境条件调整亮度、颜色和时间。

引领潮流的公司

现在，让我们来看看在激光、LED 和清洁能源等快速发展的领域的潜在投资机会，这些领域都可能受益于包晶材料的突破。

第一太阳能公司 (FSLR +5.59%) 是太阳能技术领域的领先企业，专注于薄膜光伏 (PV) 解决方案。公司股价为 $207.75，比去年同期上涨 19.351TP3，市值为 $22 亿美元。24 年第二季度，该公司的销售额为 10.1 亿新台币，净利润翻了一番多，达到 3.494 亿新台币。当时，首席执行官马克-维德玛（Mark Widmar）表示，太阳能公司在获得资金方面面临限制，因为投资者正在等待政策变得更加明朗，以便做出融资决定。

与此同时 Lumentum 控股公司 (轻型 +23.57%) 该公司从事通信、商业和工业用激光器的设计和制造。这家市值 $4.7 亿美元的公司股价目前为 $69.43，比去年同期上涨了 31.211TP3。

然后是 美国艾迪品牌公司 (AYI +0.65%)该公司是 LED 照明系统领域的领先企业。这家市值 $93.8 亿美元的公司股价上涨了 48.9%，目前的交易价格为 $305。

现在，让我们来深入了解一下该领域表现最出色的公司之一。

相干公司 (COHR +4.61%)

Coherent 是激光技术领域的重要企业，为材料加工、电子和生物医学等广泛应用提供激光器。今年以来，其股价涨幅已超过 1321TP3；截至目前，其股价为 $105.10，市值为 $15.6。其每股收益（TTM）为-1.85，市盈率（TTM）为-54.79。

在第四财季，该公司 报告 截至 2024 年 6 月 30 日的全年营收和毛利率分别为 13.14 亿和 17.08 亿美元，GAAP 毛利率分别为 32.9% 和 30.9%。临时首席财务官里奇-马图奇（Rich Martucci）表示，这一增长 "主要得益于数据通信收发器业务持续的人工智能相关优势"。

最近，该公司 介绍 宣布推出一系列新型高效连续波（CW）分布式反馈（DFB）激光器，其功率效率比行业标准高出 15%。这些激光器满足了以人工智能为重点的数据中心对不断增长的带宽的需求。今年早些时候，相干公司还 启动 HyperRapid NXT 工业皮秒激光器，可实现薄膜太阳能电池的超精密制造。

结论

由于具有高效、成本效益高、灵活、轻薄、流动性好和吸光能力强等特点，包光体材料具有极高的价值。因此，对这些材料进行更好、更深入的了解，有助于我们为下一代激光和 LED 技术开辟新的可能性。

通过控制量子阱的结构和行为，研究人员正在进一步为实现更高效的能量传递、更高的稳定性和更强的发光特性铺平道路。随着研究的不断深入，它们有可能彻底改变清洁能源、显示技术和激光应用，成为材料科学的焦点。

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