據(jù)美國物理學家組織網(wǎng)7月24日報道，美國科學家研發(fā)出了一種新方法，改變了半導體的三維結(jié)構(gòu)，使其在保持電學特性的同時擁有了新的光學性質(zhì)，并據(jù) 此研制出了首塊光學電學性能都很活躍的新型光子晶體，為以后研制出新式太陽能電池、激光器、超材料等打開了大門。研究發(fā)表在最新一期《自然·材料學》雜志 上。
光子晶體材料具有獨特的物理結(jié)構(gòu)，它能采用不同于傳統(tǒng)光學材料和設(shè)備的特殊方式誘發(fā)非同尋常的現(xiàn)象并影響光子的行為，可廣泛應(yīng)用于激光器、太陽能 設(shè)備、超材料等中。之前由科學家們研制出的光子晶體只能得到用光學方法激活的設(shè)備，這些設(shè)備能引導光，但無法被電所激活，因此，其無法將電變成光或相反。
伊利諾斯大學材料科學和工程學教授保羅·布勞恩領(lǐng)導的科研團隊研制出的最新光子晶體卻兼具光學和電學性質(zhì)。該研究的參與者埃里克·尼爾森解釋道，新光子晶體可以讓光學和電學性能同時達到最優(yōu)化，這就使人們能更好地控制光的散射、吸收以及增強。
為了制造出該三維光子晶體，科學家們先讓一些細小的球簇擁在一起形成一塊模板，接著，他們將一種廣泛應(yīng)用于半導體中的材料砷化鎵（GaAs）沉積在模板上，讓砷化鎵通過模板填充球之間的縫隙。
砷化鎵作為單個晶體開始從下往上生長，這個過程被稱作外延生長技術(shù)，工業(yè)界一般使用該技術(shù)來制造平的、二維的單晶體半導體薄膜，但布勞恩團隊卻對這種技術(shù)進行了升級改造，用來制造錯綜復雜的三維結(jié)構(gòu)。
這種自下而上的外延生長技術(shù)消除了制造三維光子結(jié)構(gòu)普遍采用的自上而下構(gòu)造方法可能導致的很多缺陷。另一個好處是，它讓制造出層層堆積而成的半導 體異質(zhì)結(jié)構(gòu)變得更方便。例如，可以通過先用砷化鎵部分填充該模板，再用另一種材料填滿，從而將一個量子勢阱層引入光子晶體中。
一旦該模板被填滿，科學家們就會移除球體，只留下一個復雜多孔的單晶體半導體三維結(jié)構(gòu)，接著，他們用一層非常纖薄的具有更寬頻帶間隙的半導體包裹住整個結(jié)構(gòu)以改進其性能并阻止表面復合。
該研究團隊使用這項技術(shù)制造出了首塊三維光子晶體發(fā)光二極管。這表明，使用這種概念能制造出功能性的設(shè)備。現(xiàn)在，布勞恩團隊正在努力優(yōu)化這種方法，以制造出特定功能的太陽能電池、超材料或低閾激光器等。
尼爾森表示，最新研究顯示，可以通過改變設(shè)備的幾何形狀來獲得任何性能，我們可以朝著這個方向前進，研制出各種超高效的新能源設(shè)備。
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