純硅光學性能提升四個數(shù)量級
來源：科技日報 時間：2024-09-25 11:59
美國加州大學爾灣分校科學家領導的國際科研團隊，通過操縱入射光子的動量，使純硅從間接帶隙半導體變?yōu)橹苯訋栋雽w，其光學性能提升了4個數(shù)量級。相關論文發(fā)表于最新一期《美國化學學會·納米》雜志。
研究團隊解釋稱，這一光子現(xiàn)象的奧秘在于海森堡不確定性原理。當光被限制在幾納米以下的尺度時，動量分布會變寬。其動量會顯著增加至自由空間內光子動量的1000倍，與材料內部電子的動量相當。
一般認為，材料在吸收光時，光子僅會改變材料內電子的能量狀態(tài)，實現(xiàn)“垂直躍遷”。但最新研究結果表明，動量增強的光子不僅能改變電子的能量狀態(tài)，還能同時改變其動量狀態(tài)，從而解鎖新的躍遷路徑——對角線躍遷，這顯著提升了材料的吸光能力。
在最新研究中，通過增強光子的動量，團隊成功地將純硅從間接帶隙半導體轉變?yōu)橹苯訋栋雽w，其吸光能力增加了4個數(shù)量級。
作為間接半導體，硅在吸收光時，不僅需要光子改變電子的能量狀態(tài)，還需要聲子（晶格振動）改變電子的動量狀態(tài)。但光子、聲子、電子同時同地相互作用的可能性極低，導致硅的光學性質很弱。
為了更有效地捕獲太陽光，硅基太陽能電池板需要一定厚度的硅層。這不僅提高了生產(chǎn)成本，而且由于載流子增加而限制了能效。雖然薄膜太陽能電池提供了一種解決方案，但這些材料往往容易快速退化或生產(chǎn)成本高昂，難以大規(guī)模推廣應用。
團隊指出，能以相同系數(shù)減少硅層的厚度，為超薄設備和太陽能電池開辟了新途徑。此外，新方法無需對材料進行任何改變，且可與現(xiàn)有制造技術集成，或將徹底改變太陽能電池和光電子設備領域。（劉霞）
責任編輯：余璇
