光动量将纯硅从间接带隙半导体转变为直接带隙半导体

加州大学欧文分校主导的研究表明，材料的光学特性可以得到显著增强——不是通过改变材料本身，而是通过赋予光新的特性。

研究人员证明，通过操纵入射光子的动量，他们可以从根本上改变光与物质的相互作用。他们的发现中一个引人注目的例子是，纯硅(一种广泛使用且必不可少的半导体)的光学特性可以提高惊人的四个数量级。

这项突破有望彻底改变太阳能转换和光电子学。这项研究是与喀山联邦大学和特拉维夫大学合作进行的，被刊登在《ACS Nano》 9 月刊的封面故事中。

“在这项研究中，我们挑战了光与物质相互作用完全由材料决定的传统观念，”资深作者兼化学副教授 Dmitry Fishman 说道。“通过赋予光新的属性，我们可以从根本上重塑它与物质的相互作用方式。

“因此，现有的或光学上‘未被充分重视’的材料可以实现我们从未想过的功能。这就像挥动魔杖一样——我们不是设计新材料，而是通过修改入射光来增强现有材料的性能。”

“这种光子现象直接源于海森堡不确定性原理，”论文合著者、化学教授埃里克·波特玛 (Eric Potma) 说道。“当光被限制在小于几纳米的尺度上时，其动量分布会变宽。动量增加如此显著，以至于超过了自由空间光子的动量一千倍，使其与材料中的电子动量相当。”

著名化学教授 Ara Apkarian 对此进行了阐述，他说：“这种现象从根本上改变了光与物质的相互作用方式。传统上，教科书会教我们垂直光学跃迁，即材料吸收光，光子只改变电子的能量状态。

“然而，动量增强的光子可以改变电子的能量和动量状态，从而解锁我们以前从未考虑过的新跃迁途径。形象地说，我们可以‘倾斜教科书’，因为这些光子可以实现对角跃迁。这极大地影响了材料吸收或发射光的能力。”

菲什曼继续说道：“以硅为例，它是地壳中第二丰富的元素，也是现代电子产品的支柱。尽管硅被广泛使用，但它的光吸收能力较差，这长期以来限制了它在太阳能电池板等设备中的效率。

“这是因为硅是一种间接半导体，这意味着它依靠声子(晶格振动)来实现电子跃迁。硅中光吸收的物理原理是，当光子改变电子的能量状态时，同时需要声子来改变电子的动量状态。

“由于光子、声子和电子在同一时间和地点相互作用的可能性很低，硅的光学特性天生就很弱。这对光电子学构成了重大挑战，甚至减缓了太阳能技术的进步。”

Potma 强调：“随着气候变化的影响不断升级，从化石燃料转向可再生能源比以往任何时候都更加紧迫。太阳能是这一转变的关键，但我们所依赖的商业太阳能电池却存在不足。”

“硅的吸光能力较差，这意味着这些电池需要厚层(几乎 200 微米的纯晶体材料)才能有效捕获阳光。这不仅增加了生产成本，而且还由于载流子复合增加而限制了效率。

“薄膜太阳能电池被广泛视为解决这两个挑战的解决方案。虽然直接带隙半导体等替代材料已证明薄型太阳能电池的效率超过 20%，但这些材料往往容易快速降解或生产成本高昂，因此目前尚不实用。”

“受硅基薄膜光伏技术前景的引导，研究人员四十多年来一直在寻找提高硅光吸收率的方法，”Apkarian 补充道。“但真正的突破仍未实现。”

菲什曼继续说道：“我们的方法向前迈出了截然不同的一步。通过动量增强光子的对角跃迁，我们有效地将纯硅从间接带隙半导体转变为直接带隙半导体，而无需改变材料本身。这使得硅吸收光的能力显著提高几个数量级。

“这意味着我们可以将硅层的厚度减少相同的倍数，从而为超薄设备和太阳能电池打开大门，这些设备和太阳能电池的性能可以超越现有技术，而成本却只是现有技术的一小部分。此外，由于这一现象不需要对材料进行任何改变，因此该方法几乎不需要任何修改就可以集成到现有的制造技术中。”

Apkarian 总结道：“我们才刚刚开始探索与纳米级及更高级的光约束相关的各种现象。所涉及的物理现象具有丰富的基础和应用发现潜力。然而，直接影响已经很明显了。

“通过增强光子动量将硅转化为直接带隙半导体有可能彻底改变能源转换和光电子学。”