光のトリック:UCIの研究者がシリコンをダイレクトバンドギャップ半導体に変える(A trick of light: UC Irvine researchers turn silicon into direct bandgap semiconductor)

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2024-10-31 カリフォルニア大学校アーバイン校(UCI)

UC Irvineの研究チームが、シリコンを間接バンドギャップから直接バンドギャップ半導体に変える方法を発見しました。これにより、シリコンの光吸収が飛躍的に向上し、超薄型のソーラーパネルや次世代のオプトエレクトロニクスの製造が可能になります。この成果は、シリコン表面にナノレベルの構造を加え、フォトンの運動量を増加させ、光と物質の新たな相互作用を引き出すことで達成されました。この技術は太陽エネルギー利用の効率向上に貢献する可能性があります。

<関連情報>

シリコンの光吸収を可能にする光子運動量 Photon Momentum Enabled Light Absorption in Silicon

Sergey S. Kharintsev,Aleksey I. Noskov,Elina I. Battalova,Liat Katrivas,Alexander B. Kotlyar,Jovany G. Merham,Eric O. Potma,Vartkess A. Apkarian,Dmitry A. Fishman
ACS Nano  Published August 22, 2024
DOI:https://doi.org/10.1021/acsnano.4c02656

Abstract

光のトリック:UCIの研究者がシリコンをダイレクトバンドギャップ半導体に変える(A trick of light: UC Irvine researchers turn silicon into direct bandgap semiconductor)

Photons do not carry sufficient momentum to induce indirect optical transitions in semiconducting materials, such as silicon, necessitating the assistance of lattice phonons to conserve momentum. Compared to direct bandgap semiconductors, this renders silicon a less attractive material for a wide variety of optoelectronic applications. In this work, we introduce an alternative strategy to fulfill the momentum-matching requirement in indirect optical transitions. We demonstrate that when confined to scales below ∼3 nm, photons acquire sufficient momentum to allow electronic transitions at the band edge of Si without the assistance of a phonon. Confined photons allow simultaneous energy and momentum conservation in two-body photon-electron scattering; in effect, converting silicon into a direct bandgap semiconductor. We show that this less-explored concept of light-matter interaction leads to a marked increase in the absorptivity of Si from the UV to the near-IR. The strategy provides opportunities for more efficient use of indirect semiconductors in photovoltaics, energy conversion, light detection, and emission.

0402電気応用
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