英國《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。該成果將提供對半導(dǎo)體核心器件前所未有的洞察。

自20世紀(jì)后期以來，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，然而，由于電子的速度極快，測量電子運(yùn)動是一個重大難題。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)生的瞬時脈沖首次拍下單個電子運(yùn)動的連續(xù)影片。

但遺憾的是，在當(dāng)前半導(dǎo)體電子動力學(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間分辨率的雙重限制，科學(xué)家們之前也沒有找到任何直接觀測的方法。

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，在一段時間后再發(fā)射一個弱激光脈沖，此時材料表面的部分電子會被激出，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，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)弱激光間的時間差，再次得到新的電子分布照片。依次增加時間差后，可獲得一系列連續(xù)照片并能建立起電子位置與激發(fā)時間長短之間的關(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))整個過程的視頻。

此前，科學(xué)家們都是根據(jù)材料的光電相互作用來推測電子的運(yùn)動，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)動軌跡，也是首次直接觀察到材料中電子狀態(tài)的變化。