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北京前沿科学技术研究院（简称“北前科学院”）成立于2016年9月，北前科学院，是由北京中科光析科学技术研究所，北检（北检）检测技术研究院，标检（北京）质量检测中心等科研单位，组建成立的独立科学科研机构，致力于前沿科学领域的研究与创新人才培养，科学技术转移孵化等，世界前沿新科学普及传播。 更多简介 +
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加州大学欧文分校领导的研究表明，材料的光学性能可以显著增强——不是通过改变材料本身，而是通过赋予光新的特性
研究人员证明，通过操纵入射光子的动量，他们可以从根本上改变光与物质的相互作用方式。他们发现的一个引人注目的例子是，纯硅（一种广泛使用和必不可少的半导体）的光学性能可以提高惊人的四个数量级
这一突破有望彻底改变太阳能转换和光电子技术。这项研究是与喀山联邦大学和特拉维夫大学合作进行的，是《ACS Nano》9月刊的封面故事
“在这项研究中，我们挑战了光物质相互作用完全由材料决定的传统观念，”资深作者兼化学副教授Dmitry Fishman说。“通过赋予光新的特性，我们可以从根本上重塑它与物质的相互作用方式。”因此，现有的或光学上“被低估”的材料可以实现我们从未想过的能力。这就像挥舞魔杖——我们不是设计新材料，而是通过改变入射光来增强现有材料的性能。“这种光子现象直接源于海森堡不确定性原理，”合著者兼化学教授Eric Potma说。“当光被限制在小于几纳米的尺度上时，它的动量分布会变宽。动量的增加是如此之大，以至于它比自由空间光子的动量增加了一千倍，使其与材料中的电子动量相当。杰出的化学教授Ara Apkarian对此进行了阐述，他说：“这一现象从根本上改变了光与物质的相互作用方式。传统上，教科书教我们垂直光学跃迁，即材料吸收光，光子只改变电子的能量状态“然而，动量增强的光子可以改变电子的能量和动量状态，开辟我们以前没有考虑过的新的跃迁路径。形象地说，我们可以‘倾斜教科书’，因为这些光子能够实现对角线跃迁。这极大地影响了材料吸收或发射光的能力。”
Fishman继续说道，“以硅为例，硅是地壳中第二丰富的元素，也是现代电子产品的支柱。尽管硅被广泛使用，但它对光的吸收能力很差，长期以来限制了它在太阳能电池板等设备中的效率。
>“由于光子、声子和电子在同一地点和时间相互作用的可能性很低，硅的光学性质本质上很弱。这对光电子学提出了重大挑战，甚至减缓了太阳能技术的进步。”
Potma强调，“随着气候变化影响的加剧，从化石燃料转向可再生能源比以往任何时候都更加迫切。太阳能是这一转变的关键，但我们依赖的商业太阳能电池却不足。
>“薄膜太阳能电池被广泛视为解决这两个挑战的方案。虽然直接带隙半导体等替代材料已经证明了效率超过20%的薄太阳能电池，但这些材料往往容易快速降解或生产成本高，使其目前不切实际。”
Apkarian补充道：“在硅基薄膜光伏的前景指导下，研究人员四十多年来一直在寻找提高硅光吸收的方法。”。“但真正的突破仍然难以捉摸。”Fishman继续说道，“我们的方法向前迈出了截然不同的一步。通过动量增强光子实现对角跃迁，我们有效地将纯硅从间接带隙半导体转变为直接带隙半导体，而无需改变材料本身。这导致硅吸收光的能力大幅提高了几个数量级。”这意味着我们可以将硅层的厚度减少相同的倍数，为超薄器件和太阳能电池打开大门，这些器件和太阳能电池可以以极低的成本超越当前的技术。此外，由于这种现象不需要对材料进行任何更改，因此该方法可以在几乎不做任何修改的情况下集成到现有的制造技术中。Apkarian总结道：“我们刚刚开始探索与纳米级及以后的光限制相关的各种现象。所涉及的物理学具有丰富的基础和应用发现潜力。然而，直接影响已经很明显
“通过增强光子动量将硅转化为直接带隙半导体有可能彻底改变能量转换和光电子。”
这项研究的合著者包括加州大学欧文分校化学初级专家Jovany Merham、喀山联邦大学研究人员Sergey Kharintsev、Aleksey Noskov、Elina Battalova和特拉维夫大学研究人员Liat Katrivas和Alexander Kotlyar More information: Sergey S. Kharintsev et al, Photon Momentum Enabled Light Absorption in Silicon, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c02656
Journal information: ACS Nano
Provided by University of California, Irvine
2025-06-09
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2025-06-08
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