人類拍攝到半導體材料內部電子運動

　　英國《自然·納米技術》雜志11日在線發表論文稱,科學家們利用飛秒技術首次成功拍攝到半導體材料內部電子狀態變化。該成果將提供對半導體核心器件前所未有的洞察。

　　自20世紀后期以來,半導體器件技術進步集中且明顯,譬如晶體管、二極管以及太陽能電池等。這些器件的核心,正是電子在半導體材料中進行的內部運動,然而,由于電子的速度極快,測量電子運動是一個重大難題。一直到2008年,瑞典科學家才運用具有超短和超強特點的飛秒脈沖,以強激光產生的瞬時脈沖首次拍下單個電子運動的連續影片。

　　但遺憾的是,在當前半導體電子動力學的研究中,仍然要受光學探針的空間分辨率或電子探針的時間分辨率的雙重限制,科學家們之前也沒有找到任何直接觀測的方法。

　　新研究中,日本沖繩科學技術大學院大學(OIST)的科學家們,開發出一種可視化半導體材料中電子狀態變化的新方法。他們使用強激光脈沖照射材料,引起材料狀態的改變,在一段時間后再發射一個弱激光脈沖,此時材料表面的部分電子會被激出,研究人員隨即利用電子顯微鏡收集這些電子并成像。依靠弱激光的持續照射,電子累積起來,最終形成一幅材料內部電子分布的照片。研究人員隨后改變強弱激光間的時間差,再次得到新的電子分布照片。依次增加時間差后,可獲得一系列連續照片并能建立起電子位置與激發時間長短之間的關系,最終形成電子被光激發后從激發態回到基態(從高能態到低能態)整個過程的視頻。

　　此前,科學家們都是根據材料的光電相互作用來推測電子的運動,新研究是人類運用飛秒技術首次拍到半導體材料內部電子的運動軌跡,也是首次直接觀察到材料中電子狀態的變化。

　　總編輯圈點

　　科學家一直夢想能觀測而不是推測電子運動。要做到這點,需要儀器在空間分辨率和時間分辨率上有極高“素質”,傳統設備無法滿足。現在飛秒成像的助力,使得科學家第一次實現了直接觀測,也意味著人類開始更深一層地了解半導體器件的工作機理,以此研發出真正革命性的電子產品。