光子動(dòng)量的發(fā)現(xiàn)揭示了新型硅基光電功能

來源：半導(dǎo)體芯科技編譯

在加州大學(xué)歐文分?；瘜W(xué)家的指導(dǎo)下，一組研究人員發(fā)現(xiàn)了一種光與物質(zhì)相互作用的新方式。這一突破有可能提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)、發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器和其他技術(shù)的效率。研究小組的研究結(jié)果最近發(fā)表在《ACS Nano》雜志上。

△圖片來源：Lucas Van Wyk Joel / 加州大學(xué)歐文分校

加州大學(xué)歐文分校的化學(xué)教授Dmitry Fishman（右）和Eric Potma在光與硅中固體物質(zhì)相互作用的方式方面取得了突破性發(fā)現(xiàn)。他們的工作可以提高太陽能電力系統(tǒng)、半導(dǎo)體激光器和其他先進(jìn)光電技術(shù)的效率。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光子被限制在硅的納米級(jí)空間內(nèi)時(shí)，它們會(huì)獲得巨大的動(dòng)量，這與電子在固體材料中的表現(xiàn)類似。

主要研究者、加州大學(xué)歐文分校兼職教授Dmitry Fishman說：“硅是地球上含量第二豐富的元素，是現(xiàn)代電子技術(shù)的支柱。然而，作為一種間接半導(dǎo)體，它在光電子學(xué)中的應(yīng)用卻因光學(xué)性能不佳而受到阻礙?！?/p>

雖然硅不會(huì)自然發(fā)出大量的光，但如果它是多孔或納米結(jié)構(gòu)形式，在可見光的照射下就會(huì)產(chǎn)生可探測的光。幾十年來，科學(xué)家們一直在研究這種現(xiàn)象，但關(guān)于這種發(fā)光現(xiàn)象的確切起源一直存在爭議。

Fishman 補(bǔ)充說："1923 年，阿瑟-康普頓（Arthur Compton) 發(fā)現(xiàn)伽馬光子具有足夠的動(dòng)量，可以與自由電子或束縛電子發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。這一發(fā)現(xiàn)使康普頓在 1927 年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在我們的實(shí)驗(yàn)中，我們證明了限制在納米級(jí)硅晶體中的可見光的動(dòng)量會(huì)在半導(dǎo)體中產(chǎn)生類似的光學(xué)相互作用"。

要了解這種相互作用的起源，需要追溯到 20 世紀(jì)初。1930 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主印度物理學(xué)家C.V. Raman（C.V.拉曼），他在1928年試圖用可見光重復(fù)康普頓實(shí)驗(yàn)。然而，他遇到了一個(gè)巨大的障礙，那就是電子的動(dòng)量與可見光光子的動(dòng)量之間存在著巨大的差異。

盡管遭遇了這一挫折，但拉曼對液體和氣體中非彈性散射的研究揭示了現(xiàn)在公認(rèn)的振動(dòng)拉曼效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)成為光譜學(xué)的基礎(chǔ)，是物質(zhì)光譜研究的關(guān)鍵技術(shù)，被稱為拉曼散射。

合著者、加州大學(xué)歐文分?；瘜W(xué)教授Eric Potma說：“我們在無序硅中發(fā)現(xiàn)的光子動(dòng)量是由一種電子拉曼散射引起的。但與傳統(tǒng)的振動(dòng)拉曼不同，電子拉曼涉及電子的不同初始狀態(tài)和最終狀態(tài)，這種現(xiàn)象以前只在金屬中觀察到?！?/p>

在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員在他們的實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造了硅玻璃樣品，從無定形到結(jié)晶狀態(tài)不等。他們將300納米厚的硅膜暴露在緊密聚焦的連續(xù)波激光束下，通過掃描寫入直線陣列。

在溫度不超過 500 攝氏度的區(qū)域，這一過程形成了均勻的交聯(lián)玻璃。在溫度超過 500 攝氏度的區(qū)域，則形成了一種異質(zhì)半導(dǎo)體玻璃。通過這種“光泡沫膜”，研究人員可以觀察到電子、光學(xué)和熱學(xué)特性在納米尺度上的變化。

Fishman 說：“這項(xiàng)工作挑戰(zhàn)了我們對光與物質(zhì)相互作用的理解，強(qiáng)調(diào)了光子動(dòng)量的關(guān)鍵作用。在無序系統(tǒng)中，電子-光子動(dòng)量匹配會(huì)放大相互作用，這一點(diǎn)以前只與經(jīng)典康普頓散射中的高能伽馬光子有關(guān)。最終，我們的研究為擴(kuò)大傳統(tǒng)光學(xué)光譜的應(yīng)用范圍鋪平了道路，使其超越了化學(xué)分析中的典型應(yīng)用，如傳統(tǒng)的振動(dòng)拉曼光譜，進(jìn)入結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域，這些信息應(yīng)與光子動(dòng)量密切相關(guān)?！?/p>

Potma說：“這種新發(fā)現(xiàn)的光特性無疑將為光電子學(xué)應(yīng)用開辟一個(gè)新的領(lǐng)域。這一現(xiàn)象將提高太陽能轉(zhuǎn)換設(shè)備和發(fā)光材料的效率，包括以前被認(rèn)為不適合發(fā)光的材料。”

加州大學(xué)歐文分?；瘜W(xué)系初級(jí)專家Jovany Merham、喀山聯(lián)邦大學(xué)的Sergey Kharintsev、Elina Battalova和Aleksey Noskov是這項(xiàng)研究的共同作者?？ι铰?lián)邦大學(xué)和Chan Zuckerberg倡議為這項(xiàng)研究提供了資助。

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審核編輯 黃宇