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没有反转对称性的半导体晶体中的光吸收可以产生电流

发布时间:2019-01-30 10:52:41 来源:

没有反转对称性的半导体晶体中的光吸收可以产生电流。Max Born Institute的研究人员现已产生太赫兹(THz)频率的定向电流,远高于现有电子设备的时钟频率。它们表明晶格中相邻原子之间的电荷转移代表了潜在的机制。

太阳能电池将光能转换为电直流电(DC),其被馈送到供电网中。关键步骤是在光吸收之后分离电荷并将它们传输到器件的触点。电流由负(电子)和正电荷载流子(空穴)承载,在半导体的各种电子带中执行所谓的带内运动。从物理学的角度来看,以下问题是必不可少的:晶体中可以提供光致直流电(DC)的最小单位是什么?一个最大频率可以产生这样的电流?原子尺度的哪种机制负责这种电荷传输?

晶体的最小单位是所谓的晶胞,是由化学键决定的明确的原子排列。原型半导体GaAs的晶胞表示没有反转中心的Ga和As原子的排列。在由电子价带表示的晶体的基态中,价电子集中在Ga和As原子之间的键上。在吸收近红外或可见光时,电子从价带促进到下一个更高的带,即导带。在新状态下,电子电荷向Ga原子移动。该电荷转移对应于局部电流,带间或移位电流,其基本上不同于带内电流中的电子运动。直到最近,

德国柏林Max Born研究所的研究人员首次研究半导体砷化镓(GaAs)中的光学感应移位电流,在超快时间尺度下降至50飞秒(1 fs = 10至-15秒的功率) 。他们在当前期刊“ 物理评论快报”上报告了他们的结果121,266602(2018)。使用从近红外(λ= 900 nm)到可见光(λ= 650 nm,橙色)的超短,强光脉冲,它们在GaAs中产生移位电流,振荡并因此发射太赫兹辐射,带宽高达20太赫兹。这些电流的特性和下面的电子运动完全反映在发射的THz波中,这些THz波在幅度和相位上被检测到。太赫兹辐射表明,整流光的超短电流突发包含的频率比现代计算机技术的最高时钟频率高5000倍。

观察到的移位电流的特性明确地排除了电子或空穴的带内运动。相比之下,基于伪电势带结构中的电子的带间转移的模型计算再现了实验结果,并且表明电子在键长度量级上的距离上的真实空间转移代表了关键机制。该过程在晶体的每个晶胞内,即亚纳米长度范围内有效,并引起光场的整流。该效果可以在更高的频率下被利用,在高频电子设备中提供新颖的有趣应用。

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