美證實二維半導體存在普適吸光規律

科技日報訊 以往的研究表明，二維碳薄片石墨烯擁有一個通用的光吸收系數。而據物理學家組織網近日報道，現在，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家首次證實，所有的二維半導體也同樣普遍適用于一個類似的簡單吸光規律。他們利用超薄半導體砷化銦薄膜進行的實驗發現，所有的二維半導體，包括受太陽能薄膜和光電器件行業青睞的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體，都有一個通用的吸收光子的量子單位，他們稱之為“AQ”。相關研究論文發表在美國《國家科學院學報》上。

　　從太陽能電池到光電傳感器再到激光器和各類成像設備，許多當今的半導體技術都是基于光的吸收發展起來的。吸光性對于量子阱中的納米尺度結構來說尤為關鍵。量子阱是由帶隙寬度不同的兩種薄層材料交替生長在一起形成的具有量子限制效應的微結構，其中的電荷載流子的運動被限制在一個二維平面上，能帶結構呈階梯狀分布。

　　“我們使用無需支撐的厚度可減至3納米的砷化銦薄膜作為模型材料系統，來準確地探測二維半導體薄膜的厚度和電子能帶結構對光吸收性能的影響。”論文的通信作者、勞倫斯伯克利國家實驗室材料科學部的科學家兼加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學教授阿里·賈維說，“我們發現，這些材料的階梯式光吸收比與材料的厚度和能帶結構無關。”

　　他們將超薄的砷化銦膜印在由氟化鈣制作的光學透明襯底上，砷化銦膜吸收光，氟化鈣襯底不吸光。賈維說：“這樣我們就能夠根據材料的能帶結構和厚度來研究厚度范圍在3納米到19納米之間的薄膜的吸光性能。”

　　借助伯克利實驗室先進光源的傅立葉變換紅外分光鏡，賈維團隊在室溫下測出了從一個能帶躍遷到下一個能帶時的光吸收率。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%的系數相應地逐級遞增或者遞減。

　　“這種吸光規律對于所有的二維半導體來說似乎是普遍適用的。”論文另一個通信作者、電氣工程師伊萊·雅布洛諾維奇說，“我們的研究結果加深了對于強量子限制效應下的電子—光子相互作用的基本認識，也為了解如何使二維半導體拓展出新奇的光子和光電應用提供了獨特視角。”（陳丹）