研究人员首次实现光激发电荷穿越两种半导体材料界面可视化

研究人员首次实现光激发电荷穿越两种半导体材料界面可视化

在加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB），研究人员们取得了一项重大突破：他们首次成功地对两种不同半导体材料界面上的光激发电荷（photoexcited charges）进行了可视化。这项研究利用了在Bolin Liao实验室开发的扫描超快电子（SUEM）技术，直接观察到了这一短暂现象，并发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。

光激发电荷，或称为光生载流子，是太阳能电池中的关键角色。当阳光照射到半导体材料时，会激发材料中的电子，使它们移动。这种电子的移动以及与它们相反电荷的“空穴”的分离，创造了可以被用来驱动电子设备的电流。在高效的太阳能电池中，光激发电荷的产生和分离效率越高，电池的光电转换效率（即电池将太阳光转换为电能的效率）也就越高。因此，提高光激发电荷的产生和分离效率是太阳能电池研究和开发中的一个重要目标。然而，这些光激发的载流子在皮秒（万亿分之一秒）内就会失去大部分能量，因此传统光伏电池所收集的能量只是在它们冷却下来并释放大部分多余的能量作为废热之前载流子在“热”状态下的能量的一小部分。

图：研究人员首次实现光激发电荷穿越两种半导体材料界面可视化

为了捕捉这些光激发电荷的动态，Liao和他的团队使用了超快激光脉冲作为皮秒级快门，并发射电子束扫描材料表面，通过这种方法，他们能够直接观察到电荷在半导体材料界面上的传递。实验中，他们聚焦于硅和锗的异质结，这是两种在光伏和电信领域具有潜在应用前景的常见半导体材料。

实验结果显示，如果在均匀的硅或锗区域激发电荷，热载流子会非常快速地移动；但如果在接近异质结的地方激发电荷，一部分载流子实际上会被异质结电势捕获，从而减慢它们的速度。这种在Si/Ge异质结中的电荷捕获可以通过半导体理论来理解，但直接实验观察到这一现象仍然令人惊讶。

这项研究不仅证实了半导体理论中的一些假设，而且还展示了超快电子显微镜（SUEM）技术在研究实际半导体设备方面的潜力。这一成果为半导体材料科学家提供了一个基准，可以用来验证这些理论和间接测量方法，并可能对提高太阳能电池和其他半导体器件的性能产生重要影响。