科学家看到了砷化硼光载流子

UCBS团队表明，光激发的“热”电子可以持续超过200皮秒

加州大学圣巴巴拉分校的研究人员直接实现了立方砷化硼（BA）单晶的光载流子传输特性的可视化。

工程学院机械工程助理教授Bolin Liao表示：“我们能够直观地看到电荷在样品中的运动。”他和他的团队使用美国一所大学运行的唯一扫描超快电子显微镜（SUEM）装置，制作了这种研究相对较少的III-V半导体材料中光激发电荷的产生和传输过程的“视频”。

他们的研究是与休斯顿大学物理学教授Zhifeng Ren团队合作进行的，发表在本月《物质》杂志上的论文《用超快电子显微镜成像的砷化硼单晶中的持续热载流子扩散》中。

研究团队的研究结合了休斯顿大学团队的晶体生长技能和加州大学圣巴巴拉分校的成像能力。

UCSB团队将扫描电子显微镜和飞秒超快激光的能力相结合，构建了一台本质上非常快速、非常高分辨率的相机。

“电子显微镜具有非常好的空间分辨率——可以以亚纳米的空间分辨率分辨单个原子——但它们通常非常慢，”Liao说，并指出这使得它们非常适合捕捉静态图像。“通过我们的技术，我们将这种非常高的空间分辨率与一种超快的激光器相结合，这种激光器作为一种非常快的快门，具有极高的时间分辨率，”Liao继续说道。“我们谈论的是一皮秒”。

该方法最初由加州理工学院发明，后来在加州大学伯克利分校从无到有地进一步发展和改进，现在是美国大学唯一一个可操作的SUEM设置。

Matter论文的主要作者、研究生研究员Usama Choudhry解释道：“我们有一个激光脉冲可以激发样品。你可以把它想象成敲钟；这是一种巨大的噪音，随着时间的推移逐渐减弱。”

他解释道，当他们“敲钟”时，第二个激光脉冲聚焦在光电阴极上，产生一个短电子脉冲对样品成像。然后，他们随时间扫描电子脉冲，以获得钟的全貌。他说：“只要进行大量的扫描，你就能得到一部电子和空穴如何被激发并最终恢复正常的电影。”

他们观察到的其中一个问题是“热”电子能持续多久。

Liao说：“我们发现，令人惊讶的是，这种材料中由光激发的‘热’电子可以比传统半导体长得多。”这些热载流子可以持续200皮秒以上，这一特性与该材料的高导热性有关。（砷化硼的热导率比硅高10倍）。

“例如，当你用光激发一个典型的太阳能电池中的电子时，并不是每个电子都具有相同的能量，”Choudhry解释道。“高能电子的寿命很短，低能电子的寿命非常长。”他继续说道，当从典型的太阳能电池中收集能量时，只有低能电子被有效地收集；高能粒子往往会以热的形式迅速失去能量。由于高能载流子的持久性，如果将这种材料用作太阳能电池，可以有效地从中获取更多的能量。

尽管砷化硼显示出很多或有前途，但它仍然面临重大障碍，特别是在大量制造高质量晶体方面。

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