光子动量的发现揭示了新型硅基光电功能

来源：半导体芯科技编译

在加州大学欧文分校化学家的指导下，一组研究人员发现了一种光与物质相互作用的新方式。这一突破有可能提高太阳能发电系统、发光二极管、半导体激光器和其他技术的效率。研究小组的研究结果最近发表在《ACS Nano》杂志上。

△图片来源：Lucas Van Wyk Joel / 加州大学欧文分校

加州大学欧文分校的化学教授Dmitry Fishman（右）和Eric Potma在光与硅中固体物质相互作用的方式方面取得了突破性发现。他们的工作可以提高太阳能电力系统、半导体激光器和其他先进光电技术的效率。

科学家们发现，当光子被限制在硅的纳米级空间内时，它们会获得巨大的动量，这与电子在固体材料中的表现类似。

主要研究者、加州大学欧文分校兼职教授Dmitry Fishman说：“硅是地球上含量第二丰富的元素，是现代电子技术的支柱。然而，作为一种间接半导体，它在光电子学中的应用却因光学性能不佳而受到阻碍。”

虽然硅不会自然发出大量的光，但如果它是多孔或纳米结构形式，在可见光的照射下就会产生可探测的光。几十年来，科学家们一直在研究这种现象，但关于这种发光现象的确切起源一直存在争议。

Fishman 补充说："1923 年，阿瑟-康普顿（Arthur Compton) 发现伽马光子具有足够的动量，可以与自由电子或束缚电子发生强烈的相互作用。这一发现使康普顿在 1927 年获得了诺贝尔物理学奖。在我们的实验中，我们证明了限制在纳米级硅晶体中的可见光的动量会在半导体中产生类似的光学相互作用"。

要了解这种相互作用的起源，需要追溯到 20 世纪初。1930 年诺贝尔物理学奖得主印度物理学家C.V. Raman（C.V.拉曼），他在1928年试图用可见光重复康普顿实验。然而，他遇到了一个巨大的障碍，那就是电子的动量与可见光光子的动量之间存在着巨大的差异。

尽管遭遇了这一挫折，但拉曼对液体和气体中非弹性散射的研究揭示了现在公认的振动拉曼效应。这一发现成为光谱学的基础，是物质光谱研究的关键技术，被称为拉曼散射。

合著者、加州大学欧文分校化学教授Eric Potma说：“我们在无序硅中发现的光子动量是由一种电子拉曼散射引起的。但与传统的振动拉曼不同，电子拉曼涉及电子的不同初始状态和最终状态，这种现象以前只在金属中观察到。”

在他们的实验中，研究人员在他们的实验室中创造了硅玻璃样品，从无定形到结晶状态不等。他们将300纳米厚的硅膜暴露在紧密聚焦的连续波激光束下，通过扫描写入直线阵列。

在温度不超过 500 摄氏度的区域，这一过程形成了均匀的交联玻璃。在温度超过 500 摄氏度的区域，则形成了一种异质半导体玻璃。通过这种“光泡沫膜”，研究人员可以观察到电子、光学和热学特性在纳米尺度上的变化。

Fishman 说：“这项工作挑战了我们对光与物质相互作用的理解，强调了光子动量的关键作用。在无序系统中，电子-光子动量匹配会放大相互作用，这一点以前只与经典康普顿散射中的高能伽马光子有关。最终，我们的研究为扩大传统光学光谱的应用范围铺平了道路，使其超越了化学分析中的典型应用，如传统的振动拉曼光谱，进入结构研究领域，这些信息应与光子动量密切相关。”

Potma说：“这种新发现的光特性无疑将为光电子学应用开辟一个新的领域。这一现象将提高太阳能转换设备和发光材料的效率，包括以前被认为不适合发光的材料。”

加州大学欧文分校化学系初级专家Jovany Merham、喀山联邦大学的Sergey Kharintsev、Elina Battalova和Aleksey Noskov是这项研究的共同作者。喀山联邦大学和Chan Zuckerberg倡议为这项研究提供了资助。

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审核编辑 黄宇