Дослідницька група на чолі з хіміками з Каліфорнійського університету в Ірвіні відкрила раніше невідомий спосіб взаємодії світла з речовиною – відкриття, яке може призвести до вдосконалення сонячних енергетичних систем, світлодіодів, напівпровідникових лазерів та інших технологічних досягнень.
У статті, опублікованій нещодавно в журналі ACS Nano, вчені разом з колегами з російського Казанського федерального університету пояснюють, як вони дізналися, що фотони можуть отримувати значний імпульс, подібний до імпульсу електронів у твердих матеріалах, коли вони обмежені нанометровими проміжками в кремнії.
“Кремній – другий за поширеністю елемент на Землі, і він є основою сучасної електроніки. Однак, будучи напівпровідником непрямої дії, його використання в оптоелектроніці стримується поганими оптичними властивостями”, – сказав старший автор дослідження Дмитро Фішман, ад’юнкт-професор хімії в Каліфорнійському університеті в Ірвіні.
За його словами, хоча кремній не випромінює світло у своїй об’ємній формі, пористий і наноструктурований кремній може виробляти видиме світло після впливу видимого випромінювання. Вчені знали про це явище протягом десятиліть, але точне походження освітлення було предметом дискусій.
“У 1923 році Артур Комптон відкрив, що гамма-фотони мають достатній імпульс для сильної взаємодії з вільними або зв’язаними електронами. Це допомогло довести, що світло має як хвильові, так і корпускулярні властивості, і це відкриття принесло Комптону Нобелівську премію з фізики в 1927 році”, – сказав Фішман.
“У наших експериментах ми показали, що імпульс видимого світла, обмежений нанорозмірними кристалами кремнію, створює подібну оптичну взаємодію в напівпровідниках”.
Розуміння походження взаємодії вимагає ще однієї подорожі на початок 20-го століття. У 1928 році індійський фізик К.В. Раман, лауреат Нобелівської премії з фізики 1930 року, спробував повторити експеримент Комптона з видимим світлом. Однак він зіткнувся з величезною перешкодою у вигляді суттєвої різниці між імпульсом електронів та імпульсом видимих фотонів.
Незважаючи на цю невдачу, дослідження Раманом непружного розсіювання в рідинах і газах призвели до відкриття того, що зараз визнається як коливальний ефект Рамана, а спектроскопія – найважливіший метод спектроскопічного дослідження речовини – стала відома як розсіювання Рамана.
“Наше відкриття імпульсу фотонів у невпорядкованому кремнії пов’язане з однією з форм електронного комбінаційного розсіювання”, – сказав співавтор дослідження Ерік Потма, професор хімії з Каліфорнійського університету в Ірвіні. “Але на відміну від звичайного коливального комбінаційного розсіювання, електронне комбінаційне розсіювання передбачає різні початковий і кінцевий стани для електрона – явище, яке раніше спостерігалося лише в металах”.
Для своїх експериментів дослідники виготовили в лабораторії зразки кремнієвого скла, які варіювалися за ступенем прозорості від аморфного до кристалічного. Вони піддали кремнієву плівку товщиною 300 нанометрів щільно сфокусованому безперервному лазерному променю, який сканували, щоб записати масив прямих ліній.
На ділянках, де температура не перевищувала 500 градусів Цельсія, процедура призвела до утворення однорідного зшитого скла. На ділянках, де температура перевищувала 500 С, утворювалося гетерогенне напівпровідникове скло. Ця “світлопінна плівка” дозволила дослідникам спостерігати, як змінюються електронні, оптичні та теплові властивості в нанометровому масштабі.
“Ця робота кидає виклик нашому розумінню взаємодії світла і матерії, підкреслюючи критичну роль імпульсу фотонів”, – сказав Фішман.
“У невпорядкованих системах узгодження імпульсів електронів і фотонів підсилює взаємодію – аспект, який раніше асоціювався лише з високоенергетичними гамма-фотонами в класичному комптонівському розсіюванні. Зрештою, наше дослідження прокладає шлях до розширення традиційних оптичних спектроскопій за межі їх типових застосувань у хімічному аналізі, таких як традиційна коливальна раманівська спектроскопія, у сферу структурних досліджень – інформації, яка повинна бути тісно пов’язана з імпульсом фотона”.
Потма додав: “Ця нещодавно відкрита властивість світла, без сумніву, відкриє нову сферу застосування в оптоелектроніці. Це явище підвищить ефективність пристроїв перетворення сонячної енергії та світловипромінюючих матеріалів, включаючи матеріали, які раніше вважалися непридатними для випромінювання світла”.