據美國物理學(xué)家組織網(wǎng)7月24日報道，美國科學(xué)家研發(fā)出了一種新方法，改變了半導體的三維結構，使其在保持電學(xué)特性的同時(shí)擁有了新的光學(xué)性質(zhì)，并據此研制出了首塊光學(xué)電學(xué)性能都很活躍的新型光子晶體，為以后研制出新式太陽(yáng)能電池、激光器、超材料等打開(kāi)了大門(mén)。研究發(fā)表在較新一期《自然·材料學(xué)》雜志上。
      光子晶體材料具有獨特的物理結構，它能采用不同于傳統光學(xué)材料和設備的特殊方式誘發(fā)非同尋常的現象并影響光子的行為，可廣泛應用于激光器、太陽(yáng)能設備、超材料等中。之前由科學(xué)家們研制出的光子晶體只能得到用光學(xué)方法激活的設備，這些設備能引導光，但無(wú)法被電所激活，因此，其無(wú)法將電變成光或相反。
      伊利諾斯大學(xué)材料科學(xué)和工程學(xué)教授保羅·布勞恩領(lǐng)導的科研團隊研制出的較新光子晶體卻兼具光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。該研究的參與者埃里克·尼爾森解釋道，新光子晶體可以讓光學(xué)和電學(xué)性能同時(shí)達到優(yōu)越化，這就使人們能更好地控制光的散射、吸收以及增強。
      為了制造出該三維光子晶體，科學(xué)家們先讓一些細小的球簇擁在一起形成一塊模板，接著(zhù)，他們將一種廣泛應用于半導體中的材料砷化鎵(GaAs)沉積在模板上，讓砷化鎵通過(guò)模板填充球之間的縫隙。砷化鎵作為單個(gè)晶體開(kāi)始從下往上生長(cháng)，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)作外延生長(cháng)技術(shù)，工業(yè)界一般使用該技術(shù)來(lái)制造平的、二維的單晶體半導體薄膜，但布勞恩團隊卻對這種技術(shù)進(jìn)行了升級改造，用來(lái)制造錯綜復雜的三維結構。
     這種自下而上的外延生長(cháng)技術(shù)消除了制造三維光子結構普遍采用的自上而下構造方法可能導致的很多缺陷。另一個(gè)好處是，它讓制造出層層堆積而成的半導體異質(zhì)結構變得更方便。例如，可以通過(guò)先用砷化鎵部分填充該模板，再用另一種材料填滿(mǎn)，從而將一個(gè)量子勢阱層引入光子晶體中。
一旦該模板被填滿(mǎn)，科學(xué)家們就會(huì )移除球體，只留下一個(gè)復雜多孔的單晶體半導體三維結構，接著(zhù)，他們用一層非常纖薄的具有更寬頻帶間隙的半導體包裹住整個(gè)結構以改進(jìn)其性能并阻止表面復合。
     該研究團隊使用這項技術(shù)制造出了首塊三維光子晶體發(fā)光二極管。這表明，使用這種概念能制造出功能性的設備。現在，布勞恩團隊正在努力優(yōu)化這種方法，以制造出特定功能的太陽(yáng)能電池、超材料或低閾激光器等。尼爾森表示，較新研究顯示，可以通過(guò)改變設備的幾何形狀來(lái)獲得任何性能，我們可以朝著(zhù)這個(gè)方向前進(jìn)，研制出各種超高效的新能源設備。