 这幅图像被称为“球棒模态”，说明新的铒晶体化合物的晶体结构，开发者是亚利桑那州立大学的纳米光子学实验室。四种不同颜色代表四种元素，它们相结合，产生这种新材料。来源：亚利桑那州立大学 |
美国亚利桑那州立大学（Arizona State University）研究人员创造了一种新的化合物晶体材料，有望带来一系列更先进的科学技术研究。
亚利桑那州立大学电气工程教授宁存峥（Cun-Zheng Ning）说，这种材料称为掺铒氯硅酸盐（erbium chloride silicate），可用于开发下一代电脑，提高互联网性能，提高硅基光伏电池的效率，把太阳光转换成电能，也可以带来高质量的固态照明和传感器技术。
宁存峥研究小组的学生和博士后学位助理组，协助合成这种新化合物，就在亚利桑那州立大学电气、计算机与能源工程学院纳米光子学实验室，属于该大学的艾拉A•富尔顿工程学校（Ira A. Fulton Schools of Engineering）。
这所实验室铒研究的支持，来自美国陆军研究办公室（U.S. Army Research Office）和美国空军科研办公室（U.S. Air Force Office of Scientific Research）。有关这一新化合物的详细报道，发表在美国光学学会（Optical Society of America）《光学材料快递》（Optical Materials Express）网站上。
这项突破涉及首次合成一种新的铒化物，它的形态是一种单晶纳米线，具有优越的性能，胜过其他形式的铒化物。
在化学元素周期表中，铒是最重要的稀土家族成员。它发出的光子，波长范围是1.5微米，可用于光纤，对互联网和电话的高品质性能至关重要。
铒用于掺杂光纤，可放大互联网和电话信号，用于电信系统。掺杂这个词用来描述一种工艺，就是把低浓度的各种元素掺进其他物质，这种方法可以改变物质的电气或光学性质，以产生预期的效果。这些元素用于这样的工艺，就被称为掺杂剂。
“因为我们不能在光纤中掺杂很多铒原子，就像我们希望的那样，因此，光纤必须很长，才能用来放大互联网信号。这就很难在芯片上集成互联网通信和计算，”宁存峥解释说。
“有了这种新的铒化物，这种化合物中包含的铒原子就可以多1000倍以上。这意味着，许多装置可以集成到一个芯片级的系统中，”他说。“因此，这种新的复合材料含有铒，可以集成硅，合并计算和通信功能，在同样廉价的硅平台上，同时加速计算和互联网运行速度。”
铒材料也可用于提高硅太阳能电池的能量转换效率。
硅不吸收波长大于1.1微米的太阳辐射，这会造成浪费能源，使太阳能电池的效率较低。
铒材料可以弥补这种状况，因为可以把携带较少能量的两个或更多光子转变成一个光子，这个光子携带较大的能量。这个更强大的单光子就可以被硅吸收，从而提高太阳能电池的效率。
铒材料也有利于吸收来自太阳的紫外线，并转换成携带少量能量的光子，这样，就可以更有效地被硅电池转化为电能。这种颜色转换功能，可以把紫外线光变成其他颜色的可见光，这也很重要，可产生白光，用于固态照明设备。
虽然铒的重要性是众所周知的，但是，生产高品质的铒材料具有挑战性，宁存峥说。
标准的做法是引入铒，作为一种掺杂剂，混入各种主体材料，如氧化硅，硅以及许多其他晶体和玻璃。
“有一个大问题，就是我们一直无法把足够的铒原子掺入晶体和玻璃，而又不降低光学质量，因为这些掺杂太多，就会聚集成串，从而降低光学质量，”他说。
独特之处在于，采用宁存峥研究小组合成的这种新型铒材料，铒不再作为一种掺杂剂被随机引入。相反，铒属于均匀化合物的一部分，而且铒原子的数量多了一千倍，超过其他掺铒材料的最大引入量。
增加铒原子的数量，会形成更大的光学活性，产生更强的照明。它也促进把不同颜色的光转换成白光，以产生更高质量的固态照明，使太阳能电池更有效地把阳光转换成电能。
此外，因为铒原子组织成一种周期阵列，它们就不会在这种新的化合物中聚集。宁存峥说，事实上，这种材料产生于高质量单晶形态，因此，光学质量优于其他掺杂材料，。
就像许多科学发现一样，合成这种新的铒材料，在某种程度上也是出于偶然。
“就像其他研究人员所做的那样，我们最初是想把铒掺入硅纳米线。但是，这种材料所呈现的特点，让我们感到吃惊，”他说。“我们得到了一种新材料。我们不知道它是什么，并没有公开的文献描述它。我们花了一年多，最终发现，我们得到了一种新的单晶材料，没有别人做过。”
宁存峥和他的小组正在尝试，使用这种新的铒化物进行各种应用，如提高硅太阳能电池的效率，制成微型光学放大器，用于有芯片级光子系统的计算机和高速互联网。
“最重要的是，”他说，“有很多事情我们还没有了解，用这种材料可以做成什么。我们初步研究这些特点，表明它具有许多惊人的性能和出色的光学质量，有待做出更令人兴奋的发现。”
这幅图像被称为“球棒模态”，说明新的铒晶体化合物的晶体结构，开发者是亚利桑那州立大学的纳米光子学实验室。四种不同颜色代表四种元素，它们相结合，产生这种新材料。来源：亚利桑那州立大学
