光子動量的發(fā)現(xiàn)揭示了新型硅基光電功能

來源：半導體芯科技編譯

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

△圖片來源：Lucas Van Wyk Joel / 加州大學歐文分校

加州大學歐文分校的化學教授Dmitry Fishman（右）和Eric Potma在光與硅中固體物質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)、半導體激光器和其他先進光電技術的效率。

科學家們發(fā)現(xiàn)，當光子被限制在硅的納米級空間內時，它們會獲得巨大的動量，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)代電子技術的支柱。然而，作為一種間接半導體，它在光電子學中的應用卻因光學性能不佳而受到阻礙?！?/p>

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

Fishman 補充說："1923 年，阿瑟-康普頓（Arthur Compton) 發(fā)現(xiàn)伽馬光子具有足夠的動量，可以與自由電子或束縛電子發(fā)生強烈的相互作用。這一發(fā)現(xiàn)使康普頓在 1927 年獲得了諾貝爾物理學獎。在我們的實驗中，我們證明了限制在納米級硅晶體中的可見光的動量會在半導體中產生類似的光學相互作用"。

要了解這種相互作用的起源，需要追溯到 20 世紀初。1930 年諾貝爾物理學獎得主印度物理學家C.V. Raman（C.V.拉曼），他在1928年試圖用可見光重復康普頓實驗。然而，他遇到了一個巨大的障礙，那就是電子的動量與可見光光子的動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)在公認的振動拉曼效應。這一發(fā)現(xiàn)成為光譜學的基礎，是物質光譜研究的關鍵技術，被稱為拉曼散射。

合著者、加州大學歐文分?；瘜W教授Eric Potma說：“我們在無序硅中發(fā)現(xiàn)的光子動量是由一種電子拉曼散射引起的。但與傳統(tǒng)的振動拉曼不同，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>

在他們的實驗中，研究人員在他們的實驗室中創(chuàng)造了硅玻璃樣品，從無定形到結晶狀態(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，則形成了一種異質半導體玻璃。通過這種“光泡沫膜”，研究人員可以觀察到電子、光學和熱學特性在納米尺度上的變化。

Fishman 說：“這項工作挑戰(zhàn)了我們對光與物質相互作用的理解，強調了光子動量的關鍵作用。在無序系統(tǒng)中，電子-光子動量匹配會放大相互作用，這一點以前只與經典康普頓散射中的高能伽馬光子有關。最終，我們的研究為擴大傳統(tǒng)光學光譜的應用范圍鋪平了道路，使其超越了化學分析中的典型應用，如傳統(tǒng)的振動拉曼光譜，進入結構研究領域，這些信息應與光子動量密切相關。”

Potma說：“這種新發(fā)現(xiàn)的光特性無疑將為光電子學應用開辟一個新的領域。這一現(xiàn)象將提高太陽能轉換設備和發(fā)光材料的效率，包括以前被認為不適合發(fā)光的材料?！?/p>

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

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審核編輯 黃宇