加州大学尔湾分校（2024USNews美国大学排名：33）（UC Irvine）领导的研究团队最近在光与物质相互作用领域取得了一项重要发现，这一发现可能会对太阳能系统、发光二极管（LED）、半导体激光器等技术产生深远影响。研究团队由化学教授Dmitry Fishman和Eric Potma领导，他们发现，当光子被限制在硅的纳米级空间时，可以获得类似于固体材料中电子的动量。这一发现不仅挑战了我们对光和物质相互作用的传统理解，还为光电子学的新应用开辟了道路。
硅是地球上第二丰富的元素，构成了现代电子学的基础。然而，由于其间接半导体性质，硅在光电子学中的应用受到限制。传统上，硅在其块状形式中不自然发光，但研究表明，多孔和纳米结构的硅在暴露于可见辐射后可以产生可检测的光。研究团队通过实验展示了可见光在纳米级硅晶体中的动量如何在半导体中产生类似的光学相互作用。这项研究还涉及到电子拉曼散射，这种现象以前只在金属中观察到。
研究人员在实验室中生产了从无定形到晶体的硅玻璃样品，并使用连续波激光束对300纳米厚的硅膜进行扫描，观察电子、光学和热性能在纳米级的变化。这项研究不仅挑战了我们对光和物质相互作用的理解，还强调了光子动量的关键作用，为光电子学的新应用开辟了道路。
光的新特性及其潜在应用
加州大学尔湾分校的研究团队在《ACS Nano》期刊上发表的论文中详细解释了他们的发现。研究人员发现，当光子被限制在硅的纳米级空间时，可以获得类似于电子的动量。这一发现可能会改进太阳能系统、发光二极管、半导体激光器等技术。硅是地球上第二丰富的元素，但由于其间接半导体特性，其在光电子学中的应用受到限制。研究表明，纳米结构的硅在暴露于可见光后可以发光，这一现象已被科学家们知晓数十年，但其确切起源一直存在争议。
研究团队通过实验展示了可见光在纳米级硅晶体中的动量如何在半导体中产生类似的光学相互作用。研究人员在实验中使用了一种300纳米厚的硅膜，并通过激光束扫描写入直线阵列，观察到电子、光学和热性能在纳米级别的变化。这项研究挑战了我们对光与物质相互作用的理解，强调了光子动量的关键作用，并为拓宽传统光谱学的应用范围铺平了道路。
硅在现代电子学中的角色及其在光电子学中的局限性
硅在现代电子学中扮演着至关重要的角色。它是地球上第二丰富的元素，广泛用于制造半导体器件。然而，由于其间接半导体性质，硅在光电子学中的应用受到限制。间接半导体的特点是其电子和空穴在不同的动量空间中，这使得电子和空穴的复合过程效率低下，从而限制了光的发射。
尽管如此，研究表明，多孔和纳米结构的硅在暴露于可见光辐射后可以产生可检测的光。这一现象为硅在光电子学中的应用提供了新的可能性。研究团队通过实验展示了可见光在纳米级硅晶体中的动量如何在半导体中产生类似的光学相互作用。这一发现为光电子学的新应用开辟了道路，特别是在太阳能系统、发光二极管和半导体激光器等领域。
电子拉曼散射在硅纳米结构中的观察
电子拉曼散射是一种以前只在金属中观察到的现象。研究团队在实验中观察到，光子在无序硅中的动量是由于一种电子拉曼散射形式。这一发现为我们提供了一种新的工具来探测半导体中的应变。
半导体应变工程已成为高性能电子设备的关键特征，因为它显著提升了设备性能。这些改进源于应变对电子能带结构的改变，因此需要新的超灵敏工具来探测半导体中的应变。研究团队展示了使用电子拉曼散射可以测量薄半导体外延层中的微量应变。与使用行业标准的声子拉曼散射技术相比，电子拉曼散射技术的应变灵敏度提高了200倍，信号增强了4 × 103倍，从而消除了半导体应变计量中的关键限制。
研究的未来方向及其潜在影响
这项研究不仅挑战了我们对光和物质相互作用的传统理解，还为光电子学的新应用开辟了道路。研究团队的发现可能会对太阳能系统、发光二极管、半导体激光器等技术产生深远影响。通过进一步研究和开发，这一发现有望在多个领域实现技术突破。
首先，在太阳能系统方面，研究团队的发现可能会提高太阳能电池的效率。传统的硅太阳能电池由于其间接半导体性质，光电转换效率有限。然而，通过利用纳米结构的硅，这一限制有望得到克服，从而提高太阳能电池的效率。
其次，在发光二极管（LED）方面，研究团队的发现可能会提高LED的发光效率。传统的硅LED由于其间接半导体性质，发光效率较低。然而，通过利用纳米结构的硅，这一限制有望得到克服，从而提高LED的发光效率。
最后，在半导体激光器方面，研究团队的发现可能会提高半导体激光器的性能。传统的硅半导体激光器由于其间接半导体性质，性能有限。然而，通过利用纳米结构的硅，这一限制有望得到克服，从而提高半导体激光器的性能。
结论
加州大学尔湾分校领导的研究团队在光与物质相互作用领域取得的重要发现，不仅挑战了我们对光和物质相互作用的传统理解，还为光电子学的新应用开辟了道路。研究团队发现，当光子被限制在硅的纳米级空间时，可以获得类似于固体材料中电子的动量。这一发现可能会对太阳能系统、发光二极管、半导体激光器等技术产生深远影响。
硅在现代电子学中扮演着至关重要的角色，但由于其间接半导体性质，其在光电子学中的应用受到限制。研究表明，多孔和纳米结构的硅在暴露于可见光辐射后可以产生可检测的光，这一现象为硅在光电子学中的应用提供了新的可能性。研究团队通过实验展示了可见光在纳米级硅晶体中的动量如何在半导体中产生类似的光学相互作用。
电子拉曼散射是一种以前只在金属中观察到的现象，研究团队在实验中观察到光子在无序硅中的动量是由于一种电子拉曼散射形式。这一发现为我们提供了一种新的工具来探测半导体中的应变。
总的来说，这项研究不仅挑战了我们对光和物质相互作用的传统理解，还为光电子学的新应用开辟了道路。通过进一步研究和开发，这一发现有望在多个领域实现技术突破，特别是在太阳能系统、发光二极管和半导体激光器等领域。研究团队的发现为未来的技术创新提供了新的可能性，值得我们持续关注和期待。
参考新闻资料:
- UC Irvine-led research team discovers new property of light
- Research team discovers new property of light
- Scientists Discover New Property of Light | Sci.News
- Marktech Optoelectronics Named a 2024 Best of Sensors Awards Finalist for 235 nm and 255 nm Deep UVC LEDs and Detectors
- Electronic Raman scattering as an ultra-sensitive probe of strain effects in semiconductors
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