加州大學(xué)歐文分校化學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)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(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器和其它技術(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(jí)空間中時(shí)，可以獲得類似于固體材料中電子的巨大動(dòng)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(shuō)：“硅是地球上第二豐富的元素，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。”

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(yáng)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(shuō)，雖然硅在塊狀形態(tài)下不會(huì)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(cè)的光。科學(xué)家們意識(shí)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(zhēng)論的焦點(diǎn)。

Fishman說(shuō)：“1923 年，阿瑟-康普頓發(fā)現(xiàn)伽馬光子具有足夠的動(dòng)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(jiǎng)。在我們的實(shí)驗(yàn)中，我們證明了限制在納米級(jí)硅晶體中的可見光的動(dòng)量會(huì)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(jiǎng)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(gè)巨大的障礙，那就是電子的動(dòng)量與可見光光子的動(dòng)量之間存在著巨大的差異。

盡管遭遇了這一挫折，但拉曼對(duì)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(dòng)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(shuō)：“我們?cè)跓o(wú)序硅中發(fā)現(xiàn)的光子動(dòng)量是由一種電子拉曼散射引起的。但與傳統(tǒng)的振動(dòng)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(wú)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(guò)掃描寫入直線陣列。

在溫度不超過(guò) 500 攝氏度的區(qū)域，該過(guò)程形成了均勻的交聯(lián)玻璃。在溫度超過(guò) 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(guò)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(shuō)：“這項(xiàng)工作挑戰(zhàn)了我們對(duì)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(wú)序系統(tǒng)中，電子-光子動(dòng)量匹配會(huì)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(dòng)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(dòng)量密切相關(guān)。”Potma補(bǔ)充說(shuō)：“這種新發(fā)現(xiàn)的光特性無(wú)疑將為光電子學(xué)應(yīng)用開辟一個(gè)新的領(lǐng)域。這一現(xiàn)象將提高太陽(yáng)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。”

審核編輯 黃宇