美证实二维半导体存在普适吸光规律

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以往的研究表明，二维碳薄片石墨烯拥有一个通用的光吸收系数。而据物理学家组织网近日报道，现在，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的科学家首次证实，所有的二维半导体也同样普遍适用于一个类似的简单吸光规律。他们利用超薄半导体砷化铟薄膜进行的实验发现，所有的二维半导体，包括受太阳能薄膜和光电器件行业青睐的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，都有一个通用的吸收光子的量子单位，他们称之为“AQ”。相关研究论文发表在美国《国家科学院学报》上。
从太阳能电池到光电传感器再到激光器和各类成像设备，许多当今的半导体技术都是基于光的吸收发展起来的。吸光性对于量子阱中的纳米尺度结构来说尤为关键。量子阱是由带隙宽度不同的两种薄层材料交替生长在一起形成的具有量子限制效应的微结构，其中的电荷载流子的运动被限制在一个二维平面上，能带结构呈阶梯状分布。
“我们使用无需支撑的厚度可减至3纳米的砷化铟薄膜作为模型材料系统，来准确地探测二维半导体薄膜的厚度和电子能带结构对光吸收性能的影响。”论文的通信作者、劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部的科学家兼加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学教授阿里·贾维说，“我们发现，这些材料的阶梯式光吸收比与材料的厚度和能带结构无关。”
他们将超薄的砷化铟膜印在由氟化钙制作的光学透明衬底上，砷化铟膜吸收光，氟化钙衬底不吸光。贾维说：“这样我们就能够根据材料的能带结构和厚度来研究厚度范围在3纳米到19纳米之间的薄膜的吸光性能。”
借助伯克利实验室先进光源的傅立叶变换红外分光镜，贾维团队在室温下测出了从一个能带跃迁到下一个能带时的光吸收率。他们观察到，随着砷化铟薄膜能带的阶梯式跃迁，AQ值也以大约1.7%的系数相应地逐级递增或者递减。
“这种吸光规律对于所有的二维半导体来说似乎是普遍适用的。”论文另一个通信作者、电气工程师伊莱·雅布洛诺维奇说，“我们的研究结果加深了对于强量子限制效应下的电子—光子相互作用的基本认识，也为了解如何使二维半导体拓展出新奇的光子和光电应用提供了独特视角。”