提升四个数量级国际科研团队为纯硅材料带来新突破

纯硅是一种间接带隙半导体，这也使得其在吸收光子时，电子不仅需要改变能量状态，还需要声子的辅助来改变动量状态。这种间接跃迁过程导致硅的光学性质相对较弱，吸光效率不高。也正因如此，提升纯硅的光学性能成为了材料科学和电子工程领域的研究热点。而就在最近，一个由美国加州大学尔湾分校科学家领导的国际科研团队成功在该问题上实现了突破，将纯硅光学性能提升了四个等级。据悉，该突破基于海森堡不确定性原理，即当光被限制在几纳米以下的尺度时，动量分布会变宽，变化后的动量会显著增加至自由空间内光子动量的1000倍，与材料内部电子的动量相当。通过操纵入射光子的动量可以使纯硅从间接带隙半导体变为直接带隙半导体，借而提升光学性能。而该研究的一个重要突破，在于其打破了传统认识中，“材料在吸收光时，光子仅会改变材料内电子的能量状态，实现‘垂直跃迁’”的认知。新结果表明动量增强的光子不仅能改变电子的能量状态，还能同时改变其动量状态，从而解锁新的跃迁路径——对角线跃迁，并显著提升材料的吸光能力。这对于后续研究也有重要的意义。此外，从产品应用的角度来说，纯硅是硅基太阳能电池板的重要组成部分，受限于光学性能，传统的硅基太阳能电池为了更有效地捕获太阳光需要对硅层进行加厚，这不仅提高了生产成本，还会增加载流子从而限制能效。这项新成果相当于提供了一个以相同系数减少硅层的厚度的新解决方案，通过减少硅层的厚度，可以显著降低生产成本并提高能效。同时，新方法无需对材料进行任何改变，且可与现有制造技术集成，有望彻底改变太阳能电池和光电子设备领域。这一成果一定程度上代表了科学家在提升纯硅的光学性能的不断努力，也为相关领域的技术进步和应用拓展提供了有力支持。相信随着未来研究的深入和技术的不断成熟，纯硅在光学和电子工程领域的应用前景将更加广阔。