日本飞秒技术：拍到半导体材料内部的电子运动

2016-10-14 06:59:00 中国科技网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。

     

                                                         科学家首次拍摄到单个电子的录像

    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（Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University，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（飞秒技术）。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。

      观测电子运动，需要仪器具备极高的空间分辨率和时间分辨率，但是传统仪器无法同时满足这两项要求。OIST实验室将紫外光脉冲技术和电子显微技术结合，用以观察太阳能电池中的电子运动。

                

     飞秒光谱技术对电子运动的高时间分辨率成像原理示意图。800纳米波长的激光（红色）激发

                 材料中的电子，266纳米波长（蓝色）的激光则负责测量电子运动。

       一般情况下，材料受到光照后，电子会吸收光能，从低能态跃迁到高能态。如果光脉冲持续的时间极短——几飞秒（1飞秒=10^-15秒），那么它会在材料中激发短暂的响应，被激发的电子随后将迅速回到基态。

    对于太阳能电池这样的设备，科学家们希望知道电池材料是如何改变能态并释放能量的。在飞秒时间尺度上，直接观察到电子的能态改变是不可能的。因此，科学家通过测量材料反射光的改变来达到间接观测的目的——首先用大功率强激光脉冲照射材料，引发材料状态改变，滞后一段时间后发射一个弱激光脉冲并对反射光进行测量。

    第一道强激光的能量会迅速加热材料，同时引反射的光子产生变化。而当材料开始冷却后，反射开始向正常值靠拢。虽然你并不能看到材料中到底发生了什么，但根据对反射数据的解读，可以解释材料内部电子发生的变化。

当弱激光照射材料后，材料表面的一些电子会被弹出，科学家用电子显微镜收集这些电子并形成图像。

  在弱激光的持续照射下，这些电子就会逐渐累积，并最终形成一张反应出材料内部电子分布的照片。

                                 

                                    不同时间差下的材料内部电子分布图