加州大學歐文分校化學家領導的一個研究小組發現了一種以前未知的光與物質相互作用的方式，這一發現可能有助于改進太陽能發電系統、發光二極管、半導體激光器和其它技術進步。在最近發表在ACS Nano雜志上的一篇論文中，科學家們與俄羅斯喀山聯邦大學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、加州大學歐文分校化學系兼職教授Dmitry Fishman說：“硅是地球上第二豐富的元素，是現代電子技術的支柱。然而，作為一種間接半導體，它在光電子學中的應用一直受到不良光學特性的阻礙。”

加州大學歐文分校的化學教授Dmitry Fishman(右)和Eric Potma在光與硅中固體物質相互作用的方式方面取得了突破性發現。他們的工作可以提高太陽能電力系統、半導體激光器和其他先進光電技術的效率。

他說，雖然硅在塊狀形態下不會自然發光，但多孔和納米結構的硅在暴露于可見輻射后可以產生可探測的光。科學家們意識到這一現象已有數十年之久，但發光的確切起源一直是爭論的焦點。

Fishman說：“1923 年，阿瑟-康普頓發現伽馬光子具有足夠的動量，可以與自由電子或束縛電子發生強烈的相互作用。這一發現使康普頓在 1927 年獲得了諾貝爾物理學獎。在我們的實驗中，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體中產生類似的光學相互作用。”

要了解這種相互作用的起源，還需要追溯到 20 世紀初。1928 年，獲得 1930 年諾貝爾物理學獎的印度物理學家C.V. Raman試圖用可見光重復康普頓實驗。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。

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在公認的振動拉曼效應，而光譜學——物質光譜研究的重要方法，也被稱為拉曼散射。

合著者、加州大學歐文分校化學教授Eric Potma說：“我們在無序硅中發現的光子動量是由一種電子拉曼散射引起的。但與傳統的振動拉曼不同，電子拉曼涉及電子的不同初始狀態和最終狀態，這種現象以前只在金屬中觀察到。”在實驗中，研究人員在實驗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 攝氏度的區域，該過程形成了均勻的交聯玻璃。在溫度超過 500 攝氏度的區域，則形成了一種異質半導體玻璃。通過這種“光泡沫膜”，研究人員可以觀察到電子、光學和熱學特性在納米尺度上的變化。

Fishman 說：“這項工作挑戰了我們對光與物質相互作用的理解，強調了光子矩的關鍵作用。在無序系統中，電子-光子動量匹配會放大相互作用，這一點以前只與經典康普頓散射中的高能伽馬光子有關。最終，我們的研究為擴大傳統光學光譜的應用范圍鋪平了道路，使其超越了化學分析中的典型應用，如傳統的振動拉曼光譜，進入結構研究領域，這些信息應與光子動量密切相關。”Potma補充說：“這種新發現的光特性無疑將為光電子學應用開辟一個新的領域。這一現象將提高太陽能轉換設備和發光材料的效率，包括以前被認為不適合發光的材料。”

審核編輯 黃宇