团队报告半导体对光的巨大反应

麻省理工学院的工程师报告了“一切旧事物都是新事物”这句格言的一个例子，他们报告了半导体的一项新发现，这是一种众所周知的材料，由于它们在电子设备中的许多应用，这些材料在 100 多年来一直是深入研究的焦点。

研究小组发现，这些重要的材料不仅在对光的反应下变得更加坚硬，而且当光线关闭时，这种效果是可逆的。工程师们还解释了在原子尺度上发生了什么，并展示了如何通过以某种方式制造材料(引入特定缺陷)以及使用不同颜色和强度的光来调整效果。

“我们对这些结果感到兴奋，因为我们在一个非常成熟的领域发现了一个新的科学方向。此外，我们发现这种现象可能存在于许多其他化合物中，”Thomas Lord 的 Rafael Jaramillo 说麻省理工学院材料科学与工程系副教授，团队负责人。

参与这项工作的另一位麻省理工学院教授 Ju Li 说，“看到缺陷对弹性响应有如此大的影响，这非常令人惊讶，这为各种应用打开了大门。计算可以帮助我们筛选更多这样的材料。” 李是巴特尔能源联盟核科学与工程(NSE)教授，并在材料科学与工程系(DMSE)联合任命。Jaramillo 和 Li 都隶属于材料研究实验室。

这项工作发表在 8 月 3 日的Physical Review Letters上。由此产生的论文被强调为编辑的建议。这也是Sophia Chen为Physics Magazine撰写的题为“Semiconductors in the Spotlight”的随附概要的重点。

该论文的其他作者是 DMSE 研究生 Jiahao Dong 和 Yifei Li，他们对这项工作做出了同样的贡献;Yuying Zhou，上海应用物理研究所DMSE访问研究生;Alan Schwartzman，DMSE 研究科学家;徐浩伟，NSE研究生;2020 年毕业的 DMSE 本科生 Bilal Azhar。

Jaramillo 记得 2018 年《科学》杂志上的一篇论文引起了他的兴趣，该论文展示了由硫化锌制成的半导体在暴露于光线时如何变得更脆。“当[研究人员]将光照射在它上面时，它的行为就像一个饼干。它啪啪作响。当他们关掉灯时，它的行为更像是一只小熊软糖，它可以被挤压而不会碎成碎片。”

为什么?Jaramillo 及其同事决定一探究竟。

在此过程中，该团队不仅重现了“科学”工作，还表明半导体在暴露于光线时会改变其弹性，这是一种机械刚度形式。

“想想一个弹力球，”Jaramillo 说。“它反弹的原因是因为它是有弹性的。当你把它扔到地上时，它会变形，但随后会立即弹回(这就是它反弹的原因)。我们发现，这真的很令人惊讶的是，[半导体的弹性特性] 在光照下会发生巨大的变化，而当灯光关闭时，这些变化是可逆的。”

发生了什么

在目前的工作中，该团队对硫化锌和其他两种半导体进行了各种实验，他们使用一种称为纳米压痕的敏感技术测量了材料在不同条件下(例如光强度)下的刚度。在该技术中，在材料表面移动的金刚石尖端记录将销钉推入表面最顶部 100 纳米或十亿分之一米所需的力。

他们还对原子尺度上可能发生的事情进行了计算机模拟，慢慢地为正在发生的事情发展了一种理论。他们发现材料中的缺陷或缺失的原子在材料对光的机械响应中起着重要作用。

“这些空位导致材料的晶格软化，因为一些原子相距更远。想想地铁车厢上的人。如果他们之间有更大的空间，更容易挤进更多的人，”Jaramillo 说。

“在光照下，存在的原子变得兴奋并变得更加排斥。就好像地铁车厢上的那些人突然开始跳舞并挥舞着手臂，”他继续说道。结果：原子更强烈地抵抗更紧密地堆积在一起，材料变得更加机械坚硬。

该团队很快发现，他们可以通过改变光的强度和颜色以及将特定缺陷设计到材料中来调整这种刚度。“当你可以减少缺陷工程时，这很好，因为这样你就可以插入材料科学家的核心能力之一，即控制缺陷，”Jaramillo 说。“这几乎就是我们谋生的工作。”