石墨烯就像一只擁有巨大光電潛能的老虎 現在它從籠子里放出來了

為了采集光電子，需要側重在光子與電子碰撞的瞬間，產生的負電亞原子粒子，是形成我們現代電子生活的基礎，如果時機正確的話，當光子與電子相遇時就會發生能量的交換。對于要實現高效捕捉光子來說，提高轉移能量的最大值就會是一大關鍵。

「那是理想情況，但實際上要發現高效率的方式很困難。」華盛頓大學(UW)物理博士生Sanfeng Wu說，「研究人員一直在尋找能讓他們這樣做的材料──一種可以讓每個吸收的光子轉移全部能量到很多電子上，而非像傳統設備只轉移到單個電子。」

「在傳統捕捉光子的方法中，能量從光子激發電子的有無，是取決于吸收方的能隙，一般只轉移光能的一小部分到電子上，剩余的能量則以熱形式散出。但在Science Advances五月13日發表的文獻里，Wu先生、UW副教授Xiaodong Xu和其他四個機構的同事，指出一種相當具有前景，能誘導光子激發多個電子的方法。他們的方法使用了一些驚人的量子級交互作用，讓單個光子具有和多個電子配對的潛能。Wu和Xu先生，分別隸屬于UW的材料科學工程系和物理系，他們采用石墨烯來完成這項驚人的發現。

「石墨烯是一種具有許多超凡特性的物質。」Wu說，「對于我們的目標來說，它能和光產生非常有效的交互作用。」

石墨稀是一種碳原子呈六角形晶格排列的二維材料，并且電子可以在石墨烯上自由地移動，研究人員使用單層石墨烯──只有一個碳原子厚度的薄層，再將其夾在兩層氮化硼薄層間。

「氮化硼具有非常近似于石墨烯的晶格結構，但卻擁有截然不同的化學特性。」Wu說，「電子不會輕易地在氮化硼間流動；基本上它就好比是一個絕緣體。」

Xu和Wu發現，當石墨烯的層間晶格排列對齊氮化硼晶格時，一種「超晶格」就孕育而生了，而且其具有讓研究人員追求的高效光電特性。這些性質是由于量子力學，偶爾會有一些費解的規則主導著所有已知粒子間的交互作用。Wu和Xu在超晶格間的范霍夫奇點(Van Hove singularities)檢測特別的量子區域。

「這些是高電子密度的區域，并且它們無法在石墨烯或氮化硼間單獨取得。」Wu說，「我們只能透過將他們層間排列在一起時，才能獲得這種高電子密度的區域。」

當Xu和Wu在引導高能光子到超晶格時，他們發現在那些范霍夫奇點區域時，一個高能的光子能轉移能量給多個電子，而那些電子能接連的用電極收集起來，不再只是單個電子，或又有殘余能量以熱形式散失。保守估計來說，Xu和Wu指出，在這些超晶格間，一個光子能「踢」五個電子以形成電流。

有了這項發現，研究人員可以創建一種更高效的器件，讓采集光子時可以有更多電子的回饋。未來的工作將會去發掘如何將激發電子匯整成電流，以達到最優化的能量轉換效率，并且再移除一些他們超晶格里惱人的問題；像是需要磁場。但他們仍然深信，在光子與電子間的這個高效過程將會帶來重大的進展。

「石墨烯是一只具有巨大光電潛力的老虎，但被鎖在牢籠里。」Wu說，「而范霍夫奇點則是那把打開牢籠的密鑰，得以釋放石墨烯在光捕捉的潛在應用。」

本文由編輯部楊洪期提供素材，洪聖哲編譯。

論文地址：Multiple hot-carrier collection in photo-excited graphene Moiré superlattices

原文鏈接：UW researchers unleash graphene 'tiger' for more efficient optoelectronics