英國(guó)《自然·納米技術(shù)》雜志11日在線發(fā)表論文稱，科學(xué)家們利用飛秒技術(shù)首次成功拍攝到半導(dǎo)體材料內(nèi)部電子狀態(tài)變化。該成果將提供對(duì)半導(dǎo)體核心器件前所未有的洞察。

自20世紀(jì)后期以來(lái)，半導(dǎo)體器件技術(shù)進(jìn)步集中且明顯，譬如晶體管、二極管以及太陽(yáng)能電池等。這些器件的核心，正是電子在半導(dǎo)體材料中進(jìn)行的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，然而，由于電子的速度極快，測(cè)量電子運(yùn)動(dòng)是一個(gè)重大難題。一直到2008年，瑞典科學(xué)家才運(yùn)用具有超短和超強(qiáng)特點(diǎn)的飛秒脈沖，以強(qiáng)激光產(chǎn)生的瞬時(shí)脈沖首次拍下單個(gè)電子運(yùn)動(dòng)的連續(xù)影片。

但遺憾的是，在當(dāng)前半導(dǎo)體電子動(dòng)力學(xué)的研究中，仍然要受光學(xué)探針的空間分辨率或電子探針的時(shí)間分辨率的雙重限制，科學(xué)家們之前也沒(méi)有找到任何直接觀測(cè)的方法。

新研究中，日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)(OIST)的科學(xué)家們，開(kāi)發(fā)出一種可視化半導(dǎo)體材料中電子狀態(tài)變化的新方法。他們使用強(qiáng)激光脈沖照射材料，引起材料狀態(tài)的改變，在一段時(shí)間后再發(fā)射一個(gè)弱激光脈沖，此時(shí)材料表面的部分電子會(huì)被激出，研究人員隨即利用電子顯微鏡收集這些電子并成像。依靠弱激光的持續(xù)照射，電子累積起來(lái)，最終形成一幅材料內(nèi)部電子分布的照片。研究人員隨后改變強(qiáng)弱激光間的時(shí)間差，再次得到新的電子分布照片。依次增加時(shí)間差后，可獲得一系列連續(xù)照片并能建立起電子位置與激發(fā)時(shí)間長(zhǎng)短之間的關(guān)系，最終形成電子被光激發(fā)后從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)(從高能態(tài)到低能態(tài))整個(gè)過(guò)程的視頻。

此前，科學(xué)家們都是根據(jù)材料的光電相互作用來(lái)推測(cè)電子的運(yùn)動(dòng)，新研究是人類運(yùn)用飛秒技術(shù)首次拍到半導(dǎo)體材料內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，也是首次直接觀察到材料中電子狀態(tài)的變化。