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 將 瞬態吸收光譜法 與尖端的 第一性原理計算 相結合 ， 在 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 和 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 將 瞬態吸收光譜法 與尖端的 第一性原理計算 相結合 ， 在 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

在 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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