通過操縱光子動量，純硅光學性能提升四個數量級

美國加州大學爾灣分校科學家領導的國際科研團隊，通過操縱入射光子的動量，使純硅從間接帶隙半導體變為直接帶隙半導體，其光學性能提升了4個數量級。相關論文發表于最新一期《美國化學學會·納米》雜志。

研究團隊解釋稱，這一光子現象的奧秘在于海森堡不確定性原理。當光被限制在幾納米以下的尺度時，動量分布會變寬。其動量會顯著增加至自由空間內光子動量的1000倍，與材料內部電子的動量相當。

一般認為，材料在吸收光時，光子僅會改變材料內電子的能量狀態，實現“垂直躍遷”。但最新研究結果表明，動量增強的光子不僅能改變電子的能量狀態，還能同時改變其動量狀態，從而解鎖新的躍遷路徑——對角線躍遷，這顯著提升了材料的吸光能力。

在最新研究中，通過增強光子的動量，團隊成功地將純硅從間接帶隙半導體轉變為直接帶隙半導體，其吸光能力增加了4個數量級。

作為間接半導體，硅在吸收光時，不僅需要光子改變電子的能量狀態，還需要聲子（晶格振動）改變電子的動量狀態。但光子、聲子、電子同時同地相互作用的可能性極低，導致硅的光學性質很弱。

為了更有效地捕獲太陽光，硅基太陽能電池板需要一定厚度的硅層。這不僅提高了生產成本，而且由于載流子增加而限制了能效。雖然薄膜太陽能電池提供了一種解決方案，但這些材料往往容易快速退化或生產成本高昂，難以大規模推廣應用。

團隊指出，能以相同系數減少硅層的厚度，為超薄設備和太陽能電池開辟了新途徑。此外，新方法無需對材料進行任何改變，且可與現有制造技術集成，或將徹底改變太陽能電池和光電子設備領域。