作者:刘霞 来源:科技日报 发布时间:2024/9/25 13:33:04
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通过操纵光子动量,纯硅光学性能提升四个数量级

 

美国加州大学尔湾分校科学家领导的国际科研团队,通过操纵入射光子的动量,使纯硅从间接带隙半导体变为直接带隙半导体,其光学性能提升了4个数量级。相关论文发表于最新一期《美国化学学会·纳米》杂志。

研究团队解释称,这一光子现象的奥秘在于海森堡不确定性原理。当光被限制在几纳米以下的尺度时,动量分布会变宽。其动量会显著增加至自由空间内光子动量的1000倍,与材料内部电子的动量相当。

一般认为,材料在吸收光时,光子仅会改变材料内电子的能量状态,实现“垂直跃迁”。但最新研究结果表明,动量增强的光子不仅能改变电子的能量状态,还能同时改变其动量状态,从而解锁新的跃迁路径——对角线跃迁,这显著提升了材料的吸光能力。

在最新研究中,通过增强光子的动量,团队成功地将纯硅从间接带隙半导体转变为直接带隙半导体,其吸光能力增加了4个数量级。

作为间接半导体,硅在吸收光时,不仅需要光子改变电子的能量状态,还需要声子(晶格振动)改变电子的动量状态。但光子、声子、电子同时同地相互作用的可能性极低,导致硅的光学性质很弱。

为了更有效地捕获太阳光,硅基太阳能电池板需要一定厚度的硅层。这不仅提高了生产成本,而且由于载流子增加而限制了能效。虽然薄膜太阳能电池提供了一种解决方案,但这些材料往往容易快速退化或生产成本高昂,难以大规模推广应用。

团队指出,能以相同系数减少硅层的厚度,为超薄设备和太阳能电池开辟了新途径。此外,新方法无需对材料进行任何改变,且可与现有制造技术集成,或将彻底改变太阳能电池和光电子设备领域。

 
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