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人类拍摄到半导体材料内部电子运动

2016-10-19

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  英国《自然·纳米技术》杂志近日在线发表论文称,科学家们利用飞秒技术首次成功拍摄到半导体材料内部电子状态变化。该成果将提供对半导体核心器件前所未有的洞察。

  自20世纪后期以来,半导体器件技术进步集中且明显,譬如晶体管、二极管以及太阳能电池等。这些器件的核心,正是电子在半导体材料中进行的内部运动,然而,由于电子的速度极快,测量电子运动是一个重大难题。一直到2008年,瑞典科学家才运用具有超短和超强特点的飞秒脉冲,以强激光产生的瞬时脉冲首次拍下单个电子运动的连续影片。

  但遗憾的是,在当前半导体电子动力学的研究中,仍然要受光学探针的空间分辨率或电子探针的时间分辨率的双重限制,科学家们之前也没有找到任何直接观测的方法。

  新研究中,日本冲绳科学技术大学院大学(OIST)的科学家们,开发出一种可视化半导体材料中电子状态变化的新方法。他们使用强激光脉冲照射材料,引起材料状态的改变,在一段时间后再发射一个弱激光脉冲,此时材料表面的部分电子会被激出,研究人员随即利用电子显微镜收集这些电子并成像。依靠弱激光的持续照射,电子累积起来,最终形成一幅材料内部电子分布的照片。研究人员随后改变强弱激光间的时间差,再次得到新的电子分布照片。依次增加时间差后,可获得一系列连续照片并能建立起电子位置与激发时间长短之间的关系,最终形成电子被光激发后从激发态回到基态(从高能态到低能态)整个过程的视频。

  此前,科学家们都是根据材料的光电相互作用来推测电子的运动,新研究是人类运用飞秒技术首次拍到半导体材料内部电子的运动轨迹,也是首次直接观察到材料中电子状态的变化。

  点评

  科学家一直梦想能观测而不是推测电子运动。要做到这点,需要仪器在空间分辨率和时间分辨率上有极高“素质”,传统设备无法满足。现在飞秒成像的助力,使得科学家第一次实现了直接观测,也意味着人类开始更深一层地了解半导体器件的工作机理,以此研发出真正革命性的电子产品。



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