美證實(shí)二維半導(dǎo)體存在普適吸光規(guī)律

美證實(shí)二維半導(dǎo)體存在普適吸光規(guī)律

以往的研究表明，二維碳薄片石墨烯擁有一個(gè)通用的光吸收系數(shù)。現(xiàn)在，美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家首次證實(shí)，所有的二維半導(dǎo)體也同樣普遍適用于一個(gè)類似的簡(jiǎn)單吸光規(guī)律。他們利用超薄半導(dǎo)體砷化銦薄膜進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所有的二維半導(dǎo)體，包括受太陽(yáng)能薄膜和光電器件行業(yè)青睞的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，都有一個(gè)通用的吸收光子的量子單位，他們稱之為“AQ”。相關(guān)研究論文發(fā)表在美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)》上。

許多當(dāng)今的半導(dǎo)體技術(shù)都是基于光的吸收發(fā)展起來(lái)的。吸光性對(duì)于量子阱中的納米尺度結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)尤為關(guān)鍵。量子阱是由帶隙寬度不同的兩種薄層材料交替生長(zhǎng)在一起形成的具有量子限制效應(yīng)的微結(jié)構(gòu)，其中的電荷載流子的運(yùn)動(dòng)被限制在一個(gè)二維平面上，能帶結(jié)構(gòu)呈階梯狀分布。

“我們使用無(wú)需支撐的厚度可減至3 nm的砷化銦薄膜作為模型材料系統(tǒng)，來(lái)準(zhǔn)確地探測(cè)二維半導(dǎo)體薄膜的厚度和電子能帶結(jié)構(gòu)對(duì)光吸收性能的影響。”論文的通信作者、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的科學(xué)家阿里·賈維說(shuō)，“我們發(fā)現(xiàn)，這些材料的階梯式光吸收比與材料的厚度和能帶結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。”

他們將超薄的砷化銦膜印在由氟化鈣制作的光學(xué)透明襯底上，砷化銦膜吸收光，氟化鈣襯底不吸光。賈維說(shuō)：“這樣我們就能夠根據(jù)材料的能帶結(jié)構(gòu)和厚度來(lái)研究厚度范圍在3～19 nm之間的薄膜的吸光性能。”

借助伯克利實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光源的傅立葉變換紅外分光鏡，賈維團(tuán)隊(duì)在室溫下測(cè)出了從一個(gè)能帶躍遷到下一個(gè)能帶時(shí)的光吸收率。他們觀察到，隨著砷化銦薄膜能帶的階梯式躍遷，AQ值也以大約1.7%的系數(shù)相應(yīng)地逐級(jí)遞增或者遞減。

“這種吸光規(guī)律對(duì)于所有的二維半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)似乎是普遍適用的。”論文另一個(gè)通信作者、電氣工程師伊萊·雅布洛諾維奇說(shuō)，“我們的研究結(jié)果加深了對(duì)于強(qiáng)量子限制效應(yīng)下的電子-光子相互作用的基本認(rèn)識(shí)，也為了解如何使二維半導(dǎo)體拓展出新奇的光子和光電應(yīng)用提供了獨(dú)特視角。”

來(lái)源：中國(guó)科技網(wǎng)