科學家研究出新的光子晶體

      據美國物理學家組織網7月24日報道，美國科學家研發出了一種新方法，改變了半導體的三維結構，使其在保持電學特性的同時擁有了新的光學性質，并據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。研究發表在較新一期《自然·材料學》雜志上。
      光子晶體材料具有獨特的物理結構，它能采用不同于傳統光學材料和設備的特殊方式誘發非同尋常的現象并影響光子的行為，可廣泛應用于激光器、太陽能設備、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備，這些設備能引導光，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·布勞恩領導的科研團隊研制出的較新光子晶體卻兼具光學和電學性質。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優越化，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，工業界一般使用該技術來制造平的、二維的單晶體半導體薄膜，但布勞恩團隊卻對這種技術進行了升級改造，用來制造錯綜復雜的三維結構。
     這種自下而上的外延生長技術消除了制造三維光子結構普遍采用的自上而下構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結構變得更方便。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構，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構以改進其性能并阻止表面復合。
     該研究團隊使用這項技術制造出了首塊三維光子晶體發光二極管。這表明，使用這種概念能制造出功能性的設備。現在，布勞恩團隊正在努力優化這種方法，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，較新研究顯示，可以通過改變設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備。