提升四個(gè)數(shù)量級(jí) 國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)為純硅材料帶來(lái)新突破
【化工儀器網(wǎng) 行業(yè)百態(tài)】純硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體，這也使得其在吸收光子時(shí)，電子不僅需要改變能量狀態(tài)，還需要聲子的輔助來(lái)改變動(dòng)量狀態(tài)。這種間接躍遷過程導(dǎo)致硅的光學(xué)性質(zhì)相對(duì)較弱，吸光效率不高。也正因如此，提升純硅的光學(xué)性能成為了材料科學(xué)和電子工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
而就在最近，一個(gè)由美國(guó)加州大學(xué)爾灣分?？茖W(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)成功在該問題上實(shí)現(xiàn)了突破，將純硅光學(xué)性能提升了四個(gè)等級(jí)。
據(jù)悉，該突破基于海森堡不確定性原理，即當(dāng)光被限制在幾納米以下的尺度時(shí)，動(dòng)量分布會(huì)變寬，變化后的動(dòng)量會(huì)顯著增加至自由空間內(nèi)光子動(dòng)量的1000倍，與材料內(nèi)部電子的動(dòng)量相當(dāng)。通過操縱入射光子的動(dòng)量可以使純硅從間接帶隙半導(dǎo)體變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體，借而提升光學(xué)性能。
而該研究的一個(gè)重要突破，在于其打破了傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中，“材料在吸收光時(shí)，光子僅會(huì)改變材料內(nèi)電子的能量狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)‘垂直躍遷’”的認(rèn)知。新結(jié)果表明動(dòng)量增強(qiáng)的光子不僅能改變電子的能量狀態(tài)，還能同時(shí)改變其動(dòng)量狀態(tài)，從而解鎖新的躍遷路徑——對(duì)角線躍遷，并顯著提升材料的吸光能力。這對(duì)于后續(xù)研究也有重要的意義。
此外，從產(chǎn)品應(yīng)用的角度來(lái)說，純硅是硅基太陽(yáng)能電池板的重要組成部分，受限于光學(xué)性能，傳統(tǒng)的硅基太陽(yáng)能電池為了更有效地捕獲太陽(yáng)光需要對(duì)硅層進(jìn)行加厚，這不僅提高了生產(chǎn)成本，還會(huì)增加載流子從而限制能效。這項(xiàng)新成果相當(dāng)于提供了一個(gè)以相同系數(shù)減少硅層的厚度的新解決方案，通過減少硅層的厚度，可以顯著降低生產(chǎn)成本并提高能效。同時(shí)，新方法無(wú)需對(duì)材料進(jìn)行任何改變，且可與現(xiàn)有制造技術(shù)集成，有望徹底改變太陽(yáng)能電池和光電子設(shè)備領(lǐng)域。
這一成果一定程度上代表了科學(xué)家在提升純硅的光學(xué)性能的不斷努力，也為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用拓展提供了有力支持。相信隨著未來(lái)研究的深入和技術(shù)的不斷成熟，純硅在光學(xué)和電子工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。
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