團隊報告半導體對光的巨大反應

麻省理工學院的工程師報告了“一切舊事物都是新事物”這句格言的一個例子，他們報告了半導體的一項新發現，這是一種眾所周知的材料，由于它們在電子設備中的許多應用，這些材料在 100 多年來一直是深入研究的焦點。

研究小組發現，這些重要的材料不僅在對光的反應下變得更加堅硬，而且當光線關閉時，這種效果是可逆的。工程師們還解釋了在原子尺度上發生了什么，并展示了如何通過以某種方式制造材料(引入特定缺陷)以及使用不同顏色和強度的光來調整效果。

“我們對這些結果感到興奮，因為我們在一個非常成熟的領域發現了一個新的科學方向。此外，我們發現這種現象可能存在于許多其他化合物中，”Thomas Lord 的 Rafael Jaramillo 說麻省理工學院材料科學與工程系副教授，團隊負責人。

參與這項工作的另一位麻省理工學院教授 Ju Li 說，“看到缺陷對彈性響應有如此大的影響，這非常令人驚訝，這為各種應用打開了大門。計算可以幫助我們篩選更多這樣的材料。” 李是巴特爾能源聯盟核科學與工程(NSE)教授，并在材料科學與工程系(DMSE)聯合任命。Jaramillo 和 Li 都隸屬于材料研究實驗室。

這項工作發表在 8 月 3 日的Physical Review Letters上。由此產生的論文被強調為編輯的建議。這也是Sophia Chen為Physics Magazine撰寫的題為“Semiconductors in the Spotlight”的隨附概要的重點。

該論文的其他作者是 DMSE 研究生 Jiahao Dong 和 Yifei Li，他們對這項工作做出了同樣的貢獻;Yuying Zhou，上海應用物理研究所DMSE訪問研究生;Alan Schwartzman，DMSE 研究科學家;徐浩偉，NSE研究生;2020 年畢業的 DMSE 本科生 Bilal Azhar。

Jaramillo 記得 2018 年《科學》雜志上的一篇論文引起了他的興趣，該論文展示了由硫化鋅制成的半導體在暴露于光線時如何變得更脆。“當[研究人員]將光照射在它上面時，它的行為就像一個餅干。它啪啪作響。當他們關掉燈時，它的行為更像是一只小熊軟糖，它可以被擠壓而不會碎成碎片。”

為什么?Jaramillo 及其同事決定一探究竟。

在此過程中，該團隊不僅重現了“科學”工作，還表明半導體在暴露于光線時會改變其彈性，這是一種機械剛度形式。

“想想一個彈力球，”Jaramillo 說。“它反彈的原因是因為它是有彈性的。當你把它扔到地上時，它會變形，但隨后會立即彈回(這就是它反彈的原因)。我們發現，這真的很令人驚訝的是，[半導體的彈性特性] 在光照下會發生巨大的變化，而當燈光關閉時，這些變化是可逆的。”

發生了什么

在目前的工作中，該團隊對硫化鋅和其他兩種半導體進行了各種實驗，他們使用一種稱為納米壓痕的敏感技術測量了材料在不同條件下(例如光強度)下的剛度。在該技術中，在材料表面移動的金剛石尖端記錄將銷釘推入表面最頂部 100 納米或十億分之一米所需的力。

他們還對原子尺度上可能發生的事情進行了計算機模擬，慢慢地為正在發生的事情發展了一種理論。他們發現材料中的缺陷或缺失的原子在材料對光的機械響應中起著重要作用。

“這些空位導致材料的晶格軟化，因為一些原子相距更遠。想想地鐵車廂上的人。如果他們之間有更大的空間，更容易擠進更多的人，”Jaramillo 說。

“在光照下，存在的原子變得興奮并變得更加排斥。就好像地鐵車廂上的那些人突然開始跳舞并揮舞著手臂，”他繼續說道。結果：原子更強烈地抵抗更緊密地堆積在一起，材料變得更加機械堅硬。

該團隊很快發現，他們可以通過改變光的強度和顏色以及將特定缺陷設計到材料中來調整這種剛度。“當你可以減少缺陷工程時，這很好，因為這樣你就可以插入材料科學家的核心能力之一，即控制缺陷，”Jaramillo 說。“這幾乎就是我們謀生的工作。”