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砷化鎵中電子反應的阿秒級測量:助力皮赫茲電子器件研究!

導讀

近日,瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich ) 的研究人員首次 瞬態吸收光譜法 與尖端的 第一性原理計算 相結合 阿秒 (10 -18 秒)時間尺度 上,測量砷化鎵中的電子反應, 並研究相關機制。

背景

砷化鎵 ,是一種技術上非常重要的窄帶隙半導體。 相比於矽來說,砷化鎵有一些更好的電子特性,例如:高頻條件下產生的噪音較少、崩潰壓高更適合高功率場合等。 因此, 砷化鎵 電路可以運用在移動電話、衛星通訊、微波點對點連線、 雷達 系統等地方。 此外, 砷化鎵 還有一項優勢:它是直接能隙的材料,可用來發光。 科學家們稱, 砷化鎵 有望大規模應用於 半導體 太陽能 相關產業。

(圖片來源: 維基百科)

創新

近日,瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich )的 Fabian Schlaepfer 以及 他在物理系  Ursula Keller  團隊中 同事們,首次通過 瞬態吸收光譜法 與尖端的 第一性原理計算 相結合 阿秒 (10 -18 秒)時間尺度上 ,測量砷化鎵中的電子反應, 並研究相關機制。 過去幾十年來,科學家卻只能在飛秒 (10 -15 秒)時間尺度上進行相關研究。 對於工作在皮赫茲(10 15 赫茲)頻率下的超高速光電器件來說 ,科學家們獲取到的認知是始料未及的。

(圖片來源: 參考資料【2】)

近日,在一篇在線發表於《自然物理( Nature Physics )》雜誌的論文中,科學家們發現帶內的電子運動真起到了重要作用,因其顯著提升了躍遷到導帶上的電子數目。

技術

砷化鎵 中,電子從價帶躍遷到導帶,會生成 在電子元件之間傳輸電流 的電荷載體 。 除了這種所謂的“帶間躍遷”,隨著電子與激光發生交互作用,電荷載體也會在 單個的帶內被加速。 這是因為與激光相關聯的強電場引起了帶內的電子運動。 然而,這兩種機制中的哪一種支配強短激光脈衝的響應,以及這種相互作用是如何影響載流子注入到導帶中,尚不得而知。

然而,瑞士蘇黎世聯邦理工學院物理學家們的這項新研究,有利於在 阿托秒 (10 -18 秒)時間尺度 上,進一步搞清楚這些問題。

價值

僅憑帶內的電子運動,無法製造出 導帶內 的載荷子。 因此,這些研究成果代表著非常重要的進展:在阿秒時間尺度上,理解半導體中的光致電子動力學。 這將推動未來電子器件與光電子器件 的相關研究,這些器件的尺寸將變得更小,涉及的電場將更強,動力學將更快。

(圖片來源:雷根斯堡大學)

關鍵字

激光 半導體 砷化鎵

參考資料

【1】 https://www.phys.ethz.ch/news-and-events/d-phys-news/2018/03/a-milestone-in-petahertz-electronics.html

【2】Schlaepfer F, Lucchini M, Sato SA, Volkov M, Kasmi L, Hartmann N, Rubio
A, Gallmann L, Keller U. Attosecond optical-field-enhanced carrier
injection into the GaAs conduction band. Nature Physics doi:10.1038/s41567-018-0069-0


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