博科園-科學科普：科學技術類

LED燈和顯示器，以及高質量的太陽能電池板誕生於半導體的一場革命，它能有效地將能量轉換為光，反之亦然。現在，下一代半導體材料即將問世。在一項新的研究中，研究人員發現，在他們改造照明技術和光電技術的潛力背後，隱藏著古怪的物理現象。將這些新興所謂“混合半導體”的量子特性與其已有的進行比較，就像是將莫斯科芭蕾舞團比作千斤短跳。由喬治亞理工學院的研究人員領導的一個物理化學家團隊稱，由量子粒子組成的旋轉團在這些新興材料中波動，可以輕鬆地創造出非常理想的光電特性，這些相同的性質在現有半導體中是不現實的。

博科園-科學科普：在這些新材料中移動的粒子也參與了材料本身的量子運動，類似於舞蹈者吸引地板與他們一起跳舞。研究人員能夠測量舞蹈引起的材料的模式，並將其與新興材料的量子特性和引入材料的能量聯絡起來。這些見解可以幫助工程師有效地研究新型半導體。這種新興材料能夠容納類似於舞者各種古怪的量子粒子運動，這與它在分子水平上的不尋常的靈活性直接相關，就像加入舞蹈的舞池一樣。相比之下，現有半導體具有剛性的、直線排列的分子結構，這使得跳舞變成了量子粒子。研究人員檢測的混合半導體被稱為鹵化物有機-無機鈣鈦礦（HOIP），這將在底部與“混合”半導體名稱一起詳細解釋。

（下同（圖））在可見光範圍內的鐳射被加工用於材料量子特性測試，這是在Carlos Silva位於喬治亞理工學院的實驗室裡進行。圖片：Georgia Tech / Rob Felt

“混合”半導體是將半導體中常見晶體晶格與一層具有創新彈性的材料結合在一起。提升機不僅具有獨特的光亮度和節能效能，而且易於生產和應用。喬治亞理工大學化學與生物化學學院的教授卡洛斯·席爾瓦說：一個令人信服的優勢是，提升機是在低溫下製造，並在溶液中進行處理。生產它們所需的能源要少得多，而且可以大批次生產。席爾瓦與喬治亞理工學院和義大利理工學院的Ajay Ram Srimath Kandada共同領導了這項研究。大多數半導體的小批次生產都需要很高溫度，而且它們的表面很硬，但可以在起重機上塗上油漆來生產led、鐳射器，甚至是窗戶玻璃，這些玻璃可以發出從海藍寶石到紫紅色的任何顏色的光。

量子躍遷

吊裝照明可能只需要很少的能源，而太陽能電池板製造商可以提高光電效率，降低生產成本。由佐治亞理工學院領導的研究小組包括來自比利時蒙斯大學和義大利理工學院研究人員。研究結果於2019年1月14日發表在《自然材料》上。這項研究由美國國家科學基金會、歐盟地平線2020、加拿大自然科學和工程研究理事會、豐德魁北克的pour la Recherche和比利時聯邦科學政策辦公室資助。光電器件中的半導體可以把光轉換成電，也可以把電轉換成光。研究人員專注於與後者相關的過程：光發射。讓一種材料發光的訣竅，從廣義上說，就是把能量應用到材料中的電子上，這樣它們就能從圍繞原子的軌道上獲得量子躍遷，然後當它們跳回到空出的軌道上時，就能以光的形式釋放出這種能量。

已建立的半導體可以在嚴格限制電子運動範圍的材料區域捕獲電子，然後將能量應用到這些區域，使電子一致地進行量子躍遷，在它們一致地跳下來時發出有用的光。這些是量子阱，材料的二維部分限制了這些量子特性，從而產生了這些特殊的光發射特性。有一種可能更具吸引力的發光方式，這也是新型混合半導體的核心優勢。一個電子帶負電荷，它被能量激發後空出的軌道叫做電子空穴。電子和空穴可以相互旋轉形成一種假想粒子，或準粒子，稱為激子。激子的正負吸引被稱為結合能，這是一種非常高能的現象，這使得激子非常適合發光。當電子和空穴重新結合時，空穴釋放出結合能來發光。但通常，激子很難在半導體中保持。

華麗的準粒子旋轉

傳統半導體中的激子特性只有在極冷溫度下才穩定，但在提升過程中，激子性質在室溫下非常穩定。激子從原子中釋放出來並在物質中移動。此外，HOIP中的激子可以圍繞其他激子旋轉，形成準粒子，即雙激子。還有更多。激子也會圍繞材料晶格中的原子旋轉。就像電子和電子空穴產生激子一樣，激子繞原子核旋轉會產生另一種準粒子，叫做極化子。所有這些作用都會導致激子向極化子轉變。我們甚至可以說一些激子呈現出一種“極化子”的細微差別。使所有這些動力學更加複雜的是，提升裝置充滿了正離子和負離子。這些量子舞蹈的華麗對材料本身有著至關重要的影響。

波形產生共鳴

不同尋常的是，材料中的原子與電子、激子、雙激子和極化子共舞，在材料中產生了重複的奈米級凹痕，這些凹痕可以作為波型觀察到，隨著能量的增加，這些凹痕會發生位移和通量。在基態下，這些波形會以某種方式呈現，但隨著能量的增加，激子的表現會有所不同。這改變了波浪模式，這就是我們所測量的。這項研究的關鍵觀察結果是，波形隨激子型別（激子、雙激子、極化子/非極化子）的不同而變化。這些凹痕也會抓住激子，減緩它們在材料中的移動速度，所有這些華麗的動力學可能會影響光發射的質量。

鹵化物有機-無機鈣鈦礦的描述圖，鑽石的形狀被稱為鈣鈦礦，這是晶體層容納了量子粒子的運動。介於兩者之間的是有機層，它主要有助於HOIP的整體靈活性，這是新一代半導體的標誌。圖片：Georgia Institute of Technology

該材料為鹵化物有機-無機鈣鈦礦，是由兩個無機晶格層構成的夾層，中間夾有一些有機材料，形成有機-無機雜化材料，量子作用發生在晶格中。中間的有機層就像一層橡皮筋，使水晶格子變成一個搖擺但穩定的舞池。此外，提升機與許多非共價鍵連線在一起，使材料柔軟。晶體的單個單位以一種叫做鈣鈦礦形式存在，它是一種非常均勻的鑽石形狀，中間是一種金屬，而像氯或碘這樣的鹵素在點上，因此被稱為“鹵化物”，在這項研究中，研究人員使用了含有公式（PEA）2PbI4的二維模型。

博科園-科學科普｜研究/來自：喬治亞理工學院

Ben Brumfield， Georgia Institute of Technology

參考期刊文獻：《Nature Materials》

論文DOI： 10。1038/s41563-018-0262-7

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