【研究成果】矽奈米結構的光電特性及其突破

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  鄭淳澧 (科學推展中心特約編輯)


圖1. 當弛豫壽命與幫浦通量相依時,時域上展現之各種情況。

人們知道材料在不同尺度下的特性差異是相當大的,像在大尺度的世界裡,用牛頓力學便足以描述物體的運動,但在小尺度的世界裡,我們則需要其他理論或實驗來對材料特性做更精準的描述,而今在半導體領域已脫離不了矽奈米結構。

奈米結構的光學特性相當迷人,過去在矽電子學領域,透過電的非線性效應來達到以電控電的元件如電晶體,當來到矽光子學領域,便是以光控光了,為描述奈米材料的光學特性,其中一個相當重要的物理現象是米氏散射。

米氏散射是指當入射光波長小於或等於粒子大小時發生的散射,與瑞利散射不同,瑞利散射是當入射光波長比粒子大許多時發生的散射,瑞利散射會朝粒子四面八方發生,而米氏散射則會沿著光的原行進方向發生。米氏散射的強度與波長並無固定關係,但當入射光波長相近於粒子大小時,會有共振增強的現象發生,此即為米氏共振(Mie resonance)。

臺灣大學物理系朱士維教授與中研院物理所林宮玄研究技師團隊在 2020 年發表利用矽奈米結構具有高折射率形成的米氏共振,可大幅提升光學非線性效應,且反應速度約為一奈秒 (Nat. Comm. 11, 4101 (2020)),在其後的研究中使用了幫浦探測技術,這項技術可以在時域及頻域獲得資訊,其原理為幫浦光打到待測物上,再用探測光探測其數值,兩道光的時間差稱為幫浦探針延遲(Pump-probe Delay),而弛豫壽命(relaxation lifetime)則是載流子(carrier)從激發態回到基態的時間,團隊將幫浦探測技術應用於單一矽奈米結構上,當弛豫壽命(relaxation lifetime)與幫浦通量(pump fluence)相依時,時域上展現了包含線性、超線性以及亞線性效應等瞬態非線性響應。

圖1. (a)(b)(c) 為在不同幫浦通量(1F -> 5F)下,弛豫壽命分別為相等、遞減、遞增時,分別呈現了線性、亞線性、超線性依賴性,在圖1. (a) 右下角為所有曲線歸一化後重疊的情形,圖1. (b)(c) 右下角則分別展示了不同的變化趨勢。圖1. (d) 示意了當幫浦通量與弛豫壽命相依時,就會產生瞬態的非線性,F 是幫浦通量,τ 是弛豫壽命。

圖2. 運用幫浦探測技術於單一矽奈米結構上的實地操作與驗證結果。

接著便是實地操作並驗證結果,圖2. 是一個共軛焦掃描顯微鏡的裝置示意及在 x 方向掃描(x-scan)邊長為 200 nm 的矽奈米塊(SiNB)的共軛成像,實驗亦呈現了不同幫浦通量下的探測軌跡及其歸一化的響應圖,約在 tc = 80 ps 處交會。

圖3. 引入俄歇複合(AR)及晶格溫度上升(AH)擬合得出複合壽命。

此處引入 Auger recombination(俄歇複合,AR),俄歇複合是在半導體中,發生電子與電洞複合後,將能量傳遞出去給另個電子再躍遷的過程,此外,還會造成晶格溫度上升,謂之 Auger heating(AH)。由藍線的 AR、紅線的 AH 的擬合貢獻加總,便得到中間紫線的結果(紫線),並可計算出相應的複合壽命,而俄歇複合的關鍵在於幫浦通量夠高。

圖4. 俄歇機制下的瞬態。

圖4. (a) 示意了俄歇機制下的瞬態非線性,紅藍曲線是不同的幫浦通量,但相同的複合壽命,此時預期的幫浦通量為線性依賴;若複合壽命隨幫浦通量增加而縮短,則展現了非線性行為。並且通量依賴性在亞線性與超線性之間,還有一個完全飽和的情況,即圖4. (b),若以時域呈現即圖4. (c)。

圖5. 不同幫浦探測時間延遲下之瞬態演化。

最後,幫浦通量夠高的情況,在不同幫浦探測時間延遲(tD = 0 ps, 75 ps, 80 ps, 90 ps, 7815 ps)下,幫浦探測訊號為通量依賴性,在 0 ps 及 7815 ps 時展現了線性依賴,在 75、80 及 90 ps 時,分別為亞線性、完全飽和與超線性行為,此即為瞬態非線性的演化過程。

為了研究奈米材料的非線性行為,結合了共軛焦掃描顯微鏡及幫浦探測光譜技術,當弛豫壽命與幫浦通量相依時,矽奈米塊出現瞬態的非線性行為,而後透過俄歇複合驗證瞬態非線性的存在。在不同的幫浦探針延遲下,找到了亞線性與超線性響應間的完全飽和響應,為非線性矽奈米光子學打開了一扇大門,且將來可應用於全光學開關及奈米級成像。

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