纳米线阵列对光的散射

英国南安普顿大学的的研究人员在对光具有强散射能力的磷化镓(GaP)纳米线阵列上发现了光学安德森定域化的现象。研究人员表示,该研究成果不仅可以帮助我们进一步理解凝聚态物理的基础问题,还有可能帮助我们提高发光二极管和太阳能电池的性能。

由于光的波动特性,它在同材料相互作用时会产生复杂的干涉花样。在过去的很多年中,科学家们一直试图制备可以与光波发生强烈的作用,从而可以改变其传播线路的材料-即所谓的光子晶体。这类材料一般都具有周期性结构,可以像晶体材料对其中的电子产生作用一样影响射入的光波。

对于无序的结构,任意的光散射和干涉可以导致一种所谓的定域化的现象,也就是说一束光波的传播线路被限制在材料的内部,其中光波传播的复杂回路被称为模式。光子无法轻易地从材料中逃脱,而只能在材料的内部来回传播。

这种定域化的现象理论上应该对所有类型的波都适用,不论是光波、声波、抑或是原子或者电子的波动方程。该成果是在1958年由Philip Anderson发现的,他也因此被授予1977年的诺贝尔物理学奖。来自南安普顿大学的研究小组的Otto Muskens解释说,如果能够在器件-如太阳能电池中实现对光波的安德森定域化,那么显然会提高其将光子转化为电能的效率。而在LED中,会发生相反的现象:光子会在器件中积聚,它们之间的相互作用会产生一定波段上的激光。这可以降低光发射的阈值,从而提高LED的性能。

然而在试验中观察到安德森定域化的现象并非易事。在金属中,电子之间的相互作用很强,我们根本无法观察到孤立的定域化现象。对于声波和物质波,研究人员相对容易地证实了该现象的存在。

相比较电子而言,光子之间的作用并不强烈,所以安德森定域化的现象可能更容易被证实,但是也存在相当的困难。“对于三维结构中的光波,我们只能对从其中泄露出的光进行分析”,Muskens解释说,“但是在我们新的试验中,我们已经成功地观察到一些与安德森定域化的临界阈值相关的干涉花样。这些现象表明我们已经非常接近于实际的安德森定域化区域。”

该研究组的研究对象-GaP半导体纳米线阵列,是来自于埃因霍温大学和德国飞利浦研究实验室。GaP是我们所知的最强的光散射材料之一,研究人员利用它将一束射入的相干的激光转换成为随机的激光。

“利用统计光学的方法,我们发现激光通过GaP阵列之后变得颗粒化。”Muskens介绍说,“我们从样品的不同部位收集了数千张从中泄露出的颗粒化的光波图案,然后将它们同理论模拟的结果进行了比较。”

结果发现从纳米线中传出的光并未变成完全的无序,仍然保持了很强的相互作用。纳米结构内部的光波也发生了介观干涉的现象。这种强相互作用的传播与描述光子在某些纳米结构中传播和发射的传统光扩散理论是相矛盾的,Muskens补充道。

在该试验中,介观是指一个在单个纳米线和样品整体结构之间的尺度,Muskens解释说。“实际上,介观现象在纳米线直径的10-100倍的尺度上更为重要。但是分辨单根纳米线和整体结构的效应对我们是非常重要的。”他接着说,“Anderson自己曾说过‘More is different’(也是他的一篇论文的题目),也就是说当你增加一个系统的复杂度和尺度时,会有新的物理现象出现。它将不仅仅是所有单个结构的效果的叠加,重要的是这些结构是如何排布的。一个很好的例子就是高温超导体,但是在光子学中,新的现象的就是光定域化。”

因为纳米线阵列正被越来越多地应用于LED和太阳能电池,这种介观效应很有可能在这些领域中得到应用。“我们很容易会去想对光的进一步吸收能如何提高纳米线太阳能电池的效率。被定域化的光子绕一定的途径传播,如何能利用这一现象提高薄膜器件对光的吸收。我们甚至还可能通过光的传播模式的耦合来提高LED器件的性能,但目前还需要更多的实验才能够证明。”Muskens说。

来源:NanotechWeb