2019-05-16 06:12:01
激子辐射衰变比ZnO薄膜中的热失相更快

大阪大学,大阪府立大学,大阪市立大学和滋贺县大学的一组研究人员发现,激光辐射衰变比氧化锌(ZnO)薄膜在室温下的热失相更快。这些结果最近发表在Physical Review Letters上,将大大减少光学操作中的热能损失。

激子是彼此吸引的电子和电子空穴的束缚态。具有宽带隙和高激子稳定性的ZnO被研究作为用于各种光子器件的有希望的材料,例如蓝/紫外发光二极管,紫外激光和紫外吸收太阳能电池。

原子和分子可以吸收光能并跳跃到更高的能级(激发态),但在相反的过程中,称为光发射,它们通过释放它们吸收的额外能量返回基态。这被称为“光学过程”。为了提高发光二极管等固体器件的发光效率,必须加强光物质相互作用,加速光的吸收和发射;然而,由双激子带组成的ZnO的边际性能尚不清楚。

加快光学过程对于实现节能,高效光学器件非常重要,因为光学过程比热量去相位更快,可以减少热能损失;然而,没有明确的指导原则来开发高速光子器件,并且认为固体中激发态的辐射衰减至少需要几十皮秒(ps)。

固体中的组成原子和分子起偶极天线的作用,其激发能量以光的形式发射。这些天线的空间扩展尺寸决定了光辐射的速度和效率,或发光器件的性能。

在这项研究中,该团队提出了一个新的理论:宏观数量的原子在ZnO晶体中协同形成广泛扩展的巨型天线,并且由于ZnO的价带退化,“双天线”同步振荡相互增强。 

在实验中,他们通过使用高质量的ZnO薄膜测量辐射衰减时间,证明发生了不到20飞秒(fs)的极快衰减。 这种速度比典型半导体中观察到的速度快三个数量级,甚至比室温下激子的热失相速度快,这将为实现“超快速和无热”光子学开辟道路。

主要作者松田说:“原则上,光学过程中产生的热量不会比激子的热失相快,因此可以说我们的研究成果将成为开发具有非热生成的下一代光子器件的指导原则。下一代超低能耗。传统的光学设备产生热量,有源光学设备吸收光线,特别是增加功耗。我们的新理论将有助于实现超出能源效率限制的可持续发展社会。

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