即使在鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)中存在缺陷，為什么這種材料仍然可以作為半導(dǎo)體使用，這一直是一個(gè)謎。最近，加拿大麥吉爾大學(xué)的研究人員朝解開(kāi)這一謎題邁出了重要一步。

麥吉爾大學(xué)的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為對(duì)研制高效率、低成本太陽(yáng)能電池以及其他光學(xué)和電子器件非常重要，因?yàn)殁}鈦礦不像其他半導(dǎo)體一樣受到某些局限，其他半導(dǎo)體要求采用嚴(yán)格的、價(jià)格高昂的制造技術(shù)生產(chǎn)出盡可能無(wú)缺陷的晶體。

主持這項(xiàng)研究的Patanjali Kambhampati在一項(xiàng)媒體陳述中表示，“歷史上，人們一直使用晶體完美的塊狀半導(dǎo)體。現(xiàn)在，從光伏系統(tǒng)到發(fā)光二極管，鈣鈦礦這種不完美的軟質(zhì)晶體突然開(kāi)始在半導(dǎo)體產(chǎn)品中得到使用。我們的研究首先要回答的問(wèn)題是：為什么某些有缺陷的物質(zhì)可以通過(guò)完美的方式應(yīng)用？”

在發(fā)表于《Physical Review Research》期刊的一篇論文中，Kambhampati和他的團(tuán)隊(duì)解釋道，在塊狀鈣鈦礦晶體內(nèi)，發(fā)生一種被稱(chēng)為量子限制效應(yīng)的現(xiàn)象。在以前，僅在幾納米尺度的顆粒中觀(guān)察到量子限制效應(yīng)，一個(gè)被廣泛宣傳的例子是平板電視畫(huà)框的量子點(diǎn)。

當(dāng)顆粒如此小時(shí)，其物理尺寸以特定的方式約束電子的運(yùn)動(dòng)，使這些納米粒子的性質(zhì)與物理尺寸更大的同一材料的性質(zhì)截然不同。可以調(diào)節(jié)這些性質(zhì)，使其產(chǎn)生有用的效應(yīng)，例如發(fā)出精確顏色的光。

通過(guò)使用一種被稱(chēng)之為狀態(tài)分辨泵浦/探測(cè)光譜分析法的技術(shù)，研究人員已經(jīng)證明，在塊狀銫鉛溴鈣鈦礦晶體內(nèi)，發(fā)生了一種類(lèi)似的量子限制效應(yīng)。換言之，他們的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在比量子點(diǎn)大得多的塊狀鈣鈦礦內(nèi)，發(fā)生了與量子點(diǎn)類(lèi)似的行為。

雖然鈣鈦礦看起來(lái)是固體，但是其某些特性更常見(jiàn)于液體，由于游離電子的存在，鈣鈦礦的原子晶格在響應(yīng)電子的運(yùn)動(dòng)時(shí)能扭曲變形。

Kambhampati將其與蹦床作了類(lèi)比，將一塊巖石拋擲到蹦床的中心時(shí)，該蹦床吸收巖石產(chǎn)生的沖擊。正如該蹦床最終將使該巖石處于靜止?fàn)顟B(tài)，鈣鈦礦晶格的扭曲變形被稱(chēng)為極化子生成現(xiàn)象。該現(xiàn)象被理解為對(duì)電子產(chǎn)生穩(wěn)定效應(yīng)。

然而，泵浦/探測(cè)光譜分析數(shù)據(jù)表明，極化子生成導(dǎo)致的后果是沒(méi)有使電子最終穩(wěn)定下來(lái)，而是增加了其總體能量。

Kambhampati表示，“能量增加的事實(shí)表明，存在一種新的量子力學(xué)效應(yīng)，即類(lèi)似于量子點(diǎn)的量子限制效應(yīng)。從電子的尺度來(lái)看，蹦床中的巖石是一個(gè)激子，激子是電子與處于激發(fā)狀態(tài)時(shí)離開(kāi)留下的空穴形成的電子-空穴束縛對(duì)。極化子的作用是將一切限制在一個(gè)空間上確定的區(qū)域。我們的研究團(tuán)隊(duì)能夠證明的一個(gè)現(xiàn)象是，極化子與激子混合，形成了類(lèi)似于量子點(diǎn)的粒子。在某種意義上，這類(lèi)似于一個(gè)液態(tài)量子點(diǎn)，我們將其稱(chēng)為量子滴。我們希望通過(guò)研究這些量子滴的行為特性，將讓我們更好地掌握如何設(shè)計(jì)能容忍缺陷的光電材料。”