科技日報記者 劉霞
美國加州大學(xué)爾灣分?？茖W(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際科研團(tuán)隊(duì)，通過操縱入射光子的動量，使純硅從間接帶隙半導(dǎo)體變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體，其光學(xué)性能提升了4個數(shù)量級。相關(guān)論文發(fā)表于最新一期《美國化學(xué)學(xué)會·納米》雜志。
研究團(tuán)隊(duì)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(dāng)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(nèi)光子動量的1000倍，與材料內(nèi)部電子的動量相當(dāng)。
一般認(rèn)為，材料在吸收光時，光子僅會改變材料內(nèi)電子的能量狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)“垂直躍遷”。但最新研究結(jié)果表明，動量增強(qiáng)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(qiáng)光子的動量，團(tuán)隊(duì)成功地將純硅從間接帶隙半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體，其吸光能力增加了4個數(shù)量級。
作為間接半導(dǎo)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(dǎo)致硅的光學(xué)性質(zhì)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，而且由于載流子復(fù)合增加而限制了能效。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(yīng)用。
團(tuán)隊(duì)指出，能以相同系數(shù)減少硅層的厚度，為超薄設(shè)備和太陽能電池開辟了新途徑。此外，新方法無需對材料進(jìn)行任何改變，且可與現(xiàn)有制造技術(shù)集成，或?qū)氐赘淖兲柲茈姵睾凸怆娮釉O(shè)備領(lǐng)域。
