下一代光電特性半導(dǎo)體材料即將問世

發(fā)表于：2019-01-21  作者：qingqingyuan  關(guān)注度：150

LED燈和顯示器，以及高質(zhì)量的太陽能電池板誕生于半導(dǎo)體的一場革命，它能有效地將能量轉(zhuǎn)換為光，反之亦然。現(xiàn)在，下一代半導(dǎo)體材料即將問世。在一項新的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，在他們改造照明技術(shù)和光電技術(shù)的潛力背后，隱藏著古怪的物理現(xiàn)象。將這些新興所謂“混合半導(dǎo)體”的量子特性與其已有的進行比較，就像是將莫斯科芭蕾舞團比作千斤短跳。由喬治亞理工學(xué)院的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個物理化學(xué)家團隊稱，由量子粒子組成的旋轉(zhuǎn)團在這些新興材料中波動，可以輕松地創(chuàng)造出非常理想的光電特性，這些相同的性質(zhì)在現(xiàn)有半導(dǎo)體中是不現(xiàn)實的。

在這些新材料中移動的粒子也參與了材料本身的量子運動，類似于舞蹈者吸引地板與他們一起跳舞。研究人員能夠測量舞蹈引起的材料的模式，并將其與新興材料的量子特性和引入材料的能量聯(lián)系起來。這些見解可以幫助工程師有效地研究新型半導(dǎo)體。這種新興材料能夠容納類似于舞者各種古怪的量子粒子運動，這與它在分子水平上的不尋常的靈活性直接相關(guān)，就像加入舞蹈的舞池一樣。相比之下，現(xiàn)有半導(dǎo)體具有剛性的、直線排列的分子結(jié)構(gòu)，這使得跳舞變成了量子粒子。研究人員檢測的混合半導(dǎo)體被稱為鹵化物有機-無機鈣鈦礦(HOIP)，這將在底部與“混合”半導(dǎo)體名稱一起詳細(xì)解釋。

“混合”半導(dǎo)體是將半導(dǎo)體中常見晶體晶格與一層具有創(chuàng)新彈性的材料結(jié)合在一起。提升機不僅具有獨特的光亮度和節(jié)能性能，而且易于生產(chǎn)和應(yīng)用。喬治亞理工大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)學(xué)院的教授卡洛斯·席爾瓦說：一個令人信服的優(yōu)勢是，提升機是在低溫下制造，并在溶液中進行處理。生產(chǎn)它們所需的能源要少得多，而且可以大批量生產(chǎn)。席爾瓦與喬治亞理工學(xué)院和意大利理工學(xué)院的Ajay Ram Srimath Kandada共同領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。大多數(shù)半導(dǎo)體的小批量生產(chǎn)都需要很高溫度，而且它們的表面很硬，但可以在起重機上涂上油漆來生產(chǎn)led、激光器，甚至是窗戶玻璃，這些玻璃可以發(fā)出從海藍寶石到紫紅色的任何顏色的光。

量子躍遷

吊裝照明可能只需要很少的能源，而太陽能電池板制造商可以提高光電效率，降低生產(chǎn)成本。由佐治亞理工學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的研究小組包括來自比利時蒙斯大學(xué)和意大利理工學(xué)院研究人員。研究結(jié)果于2019年1月14日發(fā)表在《自然材料》上。這項研究由美國國家科學(xué)基金會、歐盟地平線2020、加拿大自然科學(xué)和工程研究理事會、豐德魁北克的pour la Recherche和比利時聯(lián)邦科學(xué)政策辦公室資助。光電器件中的半導(dǎo)體可以把光轉(zhuǎn)換成電，也可以把電轉(zhuǎn)換成光。研究人員專注于與后者相關(guān)的過程：光發(fā)射。讓一種材料發(fā)光的訣竅，從廣義上說，就是把能量應(yīng)用到材料中的電子上，這樣它們就能從圍繞原子的軌道上獲得量子躍遷，然后當(dāng)它們跳回到空出的軌道上時，就能以光的形式釋放出這種能量。

已建立的半導(dǎo)體可以在嚴(yán)格限制電子運動范圍的材料區(qū)域捕獲電子，然后將能量應(yīng)用到這些區(qū)域，使電子一致地進行量子躍遷，在它們一致地跳下來時發(fā)出有用的光。這些是量子阱，材料的二維部分限制了這些量子特性，從而產(chǎn)生了這些特殊的光發(fā)射特性。有一種可能更具吸引力的發(fā)光方式，這也是新型混合半導(dǎo)體的核心優(yōu)勢。一個電子帶負(fù)電荷，它被能量激發(fā)后空出的軌道叫做電子空穴。電子和空穴可以相互旋轉(zhuǎn)形成一種假想粒子，或準(zhǔn)粒子，稱為激子。激子的正負(fù)吸引被稱為結(jié)合能，這是一種非常高能的現(xiàn)象，這使得激子非常適合發(fā)光。當(dāng)電子和空穴重新結(jié)合時，空穴釋放出結(jié)合能來發(fā)光。但通常，激子很難在半導(dǎo)體中保持。

華麗的準(zhǔn)粒子旋轉(zhuǎn)

傳統(tǒng)半導(dǎo)體中的激子特性只有在極冷溫度下才穩(wěn)定，但在提升過程中，激子性質(zhì)在室溫下非常穩(wěn)定。激子從原子中釋放出來并在物質(zhì)中移動。此外，HOIP中的激子可以圍繞其他激子旋轉(zhuǎn)，形成準(zhǔn)粒子，即雙激子。還有更多。激子也會圍繞材料晶格中的原子旋轉(zhuǎn)。就像電子和電子空穴產(chǎn)生激子一樣，激子繞原子核旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生另一種準(zhǔn)粒子，叫做極化子。所有這些作用都會導(dǎo)致激子向極化子轉(zhuǎn)變。我們甚至可以說一些激子呈現(xiàn)出一種“極化子”的細(xì)微差別。使所有這些動力學(xué)更加復(fù)雜的是，提升裝置充滿了正離子和負(fù)離子。這些量子舞蹈的華麗對材料本身有著至關(guān)重要的影響。

波形產(chǎn)生共鳴

不同尋常的是，材料中的原子與電子、激子、雙激子和極化子共舞，在材料中產(chǎn)生了重復(fù)的納米級凹痕，這些凹痕可以作為波型觀察到，隨著能量的增加，這些凹痕會發(fā)生位移和通量。在基態(tài)下，這些波形會以某種方式呈現(xiàn)，但隨著能量的增加，激子的表現(xiàn)會有所不同。這改變了波浪模式，這就是我們所測量的。這項研究的關(guān)鍵觀察結(jié)果是，波形隨激子類型(激子、雙激子、極化子/非極化子)的不同而變化。這些凹痕也會抓住激子，減緩它們在材料中的移動速度，所有這些華麗的動力學(xué)可能會影響光發(fā)射的質(zhì)量。

鹵化物有機-無機鈣鈦礦的描述圖，鉆石的形狀被稱為鈣鈦礦，這是晶體層容納了量子粒子的運動。介于兩者之間的是有機層，它主要有助于HOIP的整體靈活性，這是新一代半導(dǎo)體的標(biāo)志。

該材料為鹵化物有機-無機鈣鈦礦，是由兩個無機晶格層構(gòu)成的夾層，中間夾有一些有機材料，形成有機-無機雜化材料，量子作用發(fā)生在晶格中。中間的有機層就像一層橡皮筋，使水晶格子變成一個搖擺但穩(wěn)定的舞池。此外，提升機與許多非共價鍵連接在一起，使材料柔軟。晶體的單個單位以一種叫做鈣鈦礦形式存在，它是一種非常均勻的鉆石形狀，中間是一種金屬，而像氯或碘這樣的鹵素在點上，因此被稱為“鹵化物”，在這項研究中，研究人員使用了含有公式(PEA)2PbI4的二維模型。

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