加州大學(xué)歐文分校化學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組發(fā)現(xiàn)了一種以前未知的光與物質(zhì)相互作用的方式，這一發(fā)現(xiàn)可能有助于改進(jìn)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)進(jìn)步。

在最近發(fā)表在ACS Nano雜志上的一篇論文中，科學(xué)家們與俄羅斯喀山聯(lián)邦大學(xué)的同事們共同解釋了他們是如何了解到光子被限制在硅的納米級空間中時，可以獲得類似于固體材料中電子的巨大動量的。

資深作者、加州大學(xué)歐文分校化學(xué)系兼職教授Dmitry Fishman說：“硅是地殼中第二豐富的元素，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)用一直受到不良光學(xué)特性的阻礙。”

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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。

他說，雖然硅在塊狀形態(tài)下不會自然發(fā)光，但多孔和納米結(jié)構(gòu)的硅在暴露于可見輻射后可以產(chǎn)生可探測的光。科學(xué)家們意識到這一現(xiàn)象已有數(shù)十年之久，但發(fā)光的確切起源一直是爭論的焦點(diǎn)。

Fishman說：“1923 年，阿瑟-康普頓發(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(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。在我們的實(shí)驗(yàn)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(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，還需要追溯到 20 世紀(jì)初。1928 年，獲得 1930 年諾貝爾物理學(xué)獎的印度物理學(xué)家C.V. Raman試圖用可見光重復(fù)康普頓實(shí)驗(yàn)。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。

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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)的振動拉曼效應(yīng)，而光譜學(xué)——物質(zhì)光譜研究的重要方法，也被稱為拉曼散射。

合著者、加州大學(xué)歐文分校化學(xué)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。”

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員在實(shí)驗(yàn)室中制作了從無定形到晶體清晰度不等的硅玻璃樣品。他們將 300 納米厚的硅薄膜置于緊密聚焦的連續(xù)波激光束中，通過掃描寫入直線陣列。

在溫度不超過 500 攝氏度的區(qū)域，該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)了光子矩的關(guān)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(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)與光子動量密切相關(guān)。”

Potma補(bǔ)充說：“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。”

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.3c12666