科学家开发出可视化观测暗激子的技术:为二维半导体的研究带来深远影响

最近科学家首次可视化和测量了二维半导体中的一种叫做暗激子的准粒子,这些暗激子无法用可见光直接观测到,这项新的技术可能会彻底改变二维半导体和激子的研究,对未来的技术设备(从太阳能电池、LED到智能手机和激光器)都将产生深远的影响。

激子是在半导体中发现的电子组成的一种激发状态的复合体,是一个束缚态的电子和电子空穴收到自身正负电荷库仑力的相互吸引从而能够短暂存在的准粒子。激子是电中性的准粒子,存在于绝缘体、半导体和某些液体中。激子被认为是冷凝物的基本激发,它可以在不传输净电荷的情况下传输能量。

OIST飞秒光谱仪的科学家科学家JulienMadéo博士对准了极紫外光。图片来源:OIST
OIST飞秒光谱仪的科学家科学家JulienMadéo博士对准了极紫外光。图片来源:OIST

冲绳科技大学研究生院飞秒光谱学部门负责人,资深作者Keshav Dani教授解释说:“空穴带有正电,而电子带有负电。” “这两者相反的电荷会相互吸引,电子和空穴结合在一起形成激子,然后激子可以在整个材料中移动。”

在常规半导体中,激子在产生后不到十亿分之一秒就消失了。此外,它们可能是“易碎的”,使其难以研究和操作,但大约在十年前,科学家发现了二维半导体,在这种二维半导体中激子更显得更加坚固和长久。

OIST飞秒光谱技术的共同第一作者朱利安·马德奥博士说:“强大的激子赋予这些材料独特和令人兴奋的特性,因此在全世界内都进行了大量的研究,旨在使用它们来制造新的光电器件。但是到目前为止,用于测量激子的实验技术依然存在很大的局限性。”

该仪器使用光的初始泵浦脉冲来激发电子并产生激子。随后迅速发出第二个脉冲,该脉冲使用极紫外光子将激子中的电子从材料中踢出并进入电子显微镜的真空中。然后,电子显微镜测量电子离开材料的能量和角度。图片出处:OIST
该仪器使用光的初始泵浦脉冲来激发电子并产生激子。随后迅速发出第二个脉冲,该脉冲使用极紫外光子将激子中的电子从材料中踢出并进入电子显微镜的真空中。然后,电子显微镜测量电子离开材料的能量和角度。图片出处:OIST

当前,研究人员使用光谱技术(本质上是测量半导体材料吸收、反射或发射的光的波长)来发现有关激子能量状态的信息。但是,光谱只能捕获一小部分图像。

科学家早就知道,只有一种叫做亮激子的激子才能够和光产生相互作用。但是除了亮激子外,其实还有其他一些类型的激子,其中就包括了暗激子。在暗激子中,电子与束缚的空穴具有不同的动量,从而阻止了电子吸收光。这也意味着暗激子中的电子与亮激子中的电子具有不同的动量。

Madéo博士说:“我们知道它们的存在,但我们无法直接看到它们,我们无法直接对其进行探测,因此我们不知道它们的重要性或对材料的光电性能有多大影响。”

观测暗激子所采取的技术

为了首次可视化观测暗激子,科学家们修改了一种强大的技术,该技术以前主要用于研究单个未结合的电子。

OIST飞秒光谱仪部门的科学家Michael Man博士将半导体材料的样品加载到电子显微镜中。图片来源:OIST
OIST飞秒光谱仪部门的科学家Michael Man博士将半导体材料的样品加载到电子显微镜中。图片来源:OIST

他们的方法提出,如果使用含有足够高能量光子的光束来撞击半导体材料中的激子,则来自光子的能量会分裂激子并将电子踢出激子。

通过测量电子从材料中飞出的方向,科学家们将能够确定电子是激子的一部分时的初始动量。因此,科学家们不仅能够看到亮激子,而且还能区别出暗激子。

但是实施这项新技术需要解决一些巨大的技术挑战。科学家需要用高能的极紫外光子产生光脉冲,该光子能够分裂激子并将电子踢出激子。然后,该仪器需要能够测量这些电子的能量和角度。此外,由于激子寿命很短,该仪器必须在不到千分之一秒的时间尺度上工作。最后,该仪器还需要足够高的空间分辨率来测量2D半导体样品,这些样品只有微米级别的大小。

“当我们解决了所有技术问题并打开仪器后,屏幕上基本上就是激子,这真是太神奇了,”来自OIST飞秒光谱学部门的第一作者,迈克尔·曼博士说。

研究人员发现,正如预测的那样,半导体材料中同时存在亮激子和暗激子。但令他们惊讶的是,科学家们还发现,暗激子占主导地位,超过了亮激子。研究小组进一步观察到,在某些条件下,随着激发电子在整个材料中扩散并改变动量,激子可能会在亮激子或暗激子之间相互转化。

Madéo博士说:“暗激子的优势以及暗激子和亮激子之间的相互作用表明,暗激子对这种新型半导体的影响甚至超过了预期。”

Dani教授总结说:“这项技术是真正的突破。它不仅提供了对暗激子的首次观察并阐明了它们的特性,而且开创了对激子和其他激发粒子研究的新纪元。”

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