洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員首次建立了詳細模型，解釋了導致金薄膜光致發光的量子力學效應，這一突破可推動太陽能燃料和電池的開發。發光是物質在光照射下發射光子的過程，人們很早就在矽等半導體材料中觀察到了這個現象。這種現象涉及奈米級電子吸收光並隨後重新發光。這種行為為研究人員提供了了解半導體特性的寶貴視角，使其成為探測太陽能電池等電子過程的有用工具。

1969 年，科學家發現所有金屬都會在某種程度上發光，但在這之後的幾年中，人們一直未能清楚地了解這種現像是如何發生的。在奈米級溫度測繪和光化學應用的推動下，人們對這種發光現象重新產生了興趣，並再次圍繞其起源展開了討論。但直到現在，答案仍不明確。

工程學院能源技術奈米科學實驗室（LNET）主任Giulia Tagliabue 說：「我們開發出了非常高品質的金屬金膜，這使我們處於一個獨特的位置來闡明這一過程，而不受以往實驗的干擾因素影響。

在最近發表於《光：科學與應用》（Light:Science and Applications）的研究中，Tagliabue 和LNET 團隊將雷射光束聚焦在極薄（介於13 奈米和113 奈米之間）的金膜上，然後分析了由此產生的微弱光暈。他們的精確實驗所產生的數據是如此詳細，又如此出人意料，以至於他們與巴塞隆納科技學院、南丹麥大學和美國倫斯勒理工學院的理論家合作，重新研究並應用量子力學建模方法。

光致發光是由電子及其帶相反電荷的對應物（電洞）在光的作用下的特定行為方式所決定的。這也讓他們首次在金中建立了關於這種現象的完整、完全定量的模型，該模型可應用於任何金屬。

Tagliabue 解釋說，研究團隊利用一種新型合成技術生產的單晶金薄膜，研究了金屬越來越薄時的光致發光過程。她說：”我們觀察到某些量子力學效應在高達約40 奈米的薄膜中出現，這齣乎我們的意料，因為對於金屬來說，通常要到10 奈米以下才會出現這種效應。”

這些觀測結果提供了有關金中光致發光過程確切發生位置的關鍵空間信息，而這正是將金屬用作探針的先決條件。研究的另一個意外成果是發現金的光致發光（Stokes）訊號可用於探測材料本身的表面溫度，這對從事奈米級研究的科學家來說是一大福音。

“對於金屬表面的許多化學反應，人們一直在爭論這些反應發生的原因和條件。溫度是一個關鍵參數，但在奈米尺度測量溫度非常困難，因為溫度計會影響測量結果。因此，利用材料本身作為探針來探測材料具有巨大的優勢，”Tagliabue 說。

研究人員相信，他們的發現將使人們能夠利用金屬對化學反應，尤其是涉及能源研究的化學反應來獲得前所未有的詳細了解。金和銅（LNET 的下一個研究目標）等金屬可以引發某些關鍵反應，例如將二氧化碳（CO2）還原成太陽能燃料等碳基產品，太陽能燃料可以將太陽能儲存在化學材料中。

研究的第一作者、LNET 博士後艾倫-鮑曼（Alan Bowman）說：「為了應對氣候變化，我們將需要以某種方式將二氧化碳轉化為其他有用化學物質的技術。使用金屬是一種方法，但如果我們不能很好地了解這些反應是如何在其表面發生的，那麼我們就無法對其進行優化。

編譯來源：ScitechDaily