[发明专利]产生局部电场的方法

说明书

公开了一种用于以超快时间级重新分布光激发电子并在光斑内产生局部电流的系统和方法，以实现对光电现象的高速、高分辨率控制。选择地解决分布内光激发电子的子群是必要的。通过利用超快光脉冲中的空间强度变化，在掺杂半导体的光激发斑内产生局部表面场，该局部场将光激发电子拉成两个单独的分布。可以通过光激发脉冲的空间曲线和强度来控制此重新分布过程。

技术领域

本发明涉及产生局部电场的方法，该局部电场驱动半导体的光斑内空间上变化的电流。

背景技术

材料界面处的带电粒子的空间和时间动力学对于几种现代技术(包括但不限于光捕获和半导体器件)是至关重要的。例如，载流子的迁移率和扩散的潜在性质提出了与半导体器件技术相关的重要问题。在光催化的情况下，光能在半导体表面转化为化学能，光载流子的时空动力学能够直接影响该表面的化学反应。为了进一步实现这些科学和技术目标，在过去的几年里，一些技术开始以高分辨率同时在空间和时间中研究光载流子动力学。

超快的微泵-探针技术解释了测量的、空间分辨的光学响应以理解潜在的载流子动力学，已经观察到半导体纳米结构中的漂移和扩散现象。一种这样的测量方法是扫描超快电子显微镜(SUEM)，其利用超快电子数据包来获得高的时空分辨率。SUEM能够用于测量由探针电子数据包发射的二次电子，以访问光激发载流子动力学。因此，SUEM最近分别在非晶硅和黑磷中观察到异常扩散和各向异性扩散现象。然而，以这种方式实现的测量仍然缺乏确定性和严谨性。

背景技术

技术问题

因此，需要一种用于以高分辨率同时在空间和时间中研究光载流子的动力学的改进的系统和方法。

问题的解决方案

公开了一种用于以超快时间级重新分布光激发电子并在光斑内产生局部电流的系统和方法，以实现对光电现象的高速、高分辨率控制。选择性地解决分布内的光激发电子的子群是必要的。通过利用超快光脉冲中的空间强度变化，在掺杂半导体的光激发斑内产生局部表面场，其将光激发的电子拉成两个独立的分布。然后使用时间分辨的光发射显微镜，可以直接记录这种重新分布过程的影片，这可以通过光激发脉冲的空间曲线和强度进行控制。直观且定量的模型解释了潜在的电荷传输现象，从而提供了以高时空分辨率操纵光载流子分布的更普遍能力的路线图。

本文的实施例展示了以超快时间级在光斑内移动和重新分布光激发电子的新颖能力。这是通过使用驱动光斑内的电流的光产生具有高时空分辨率的局部电场并操控光电子的分布来实现的。

过去，操纵光载流子分布的常规示例是通过电场或能量梯度分离不同的电荷-例如电子和空穴。这一直是迄今为止各种光电技术的基础-太阳能电池、光电探针器等。另一方面，能够以高时空分辨率操纵相同光载流子(例如，电子)的分布，将为未来的光电控制提供另一个甚至可能更强大的平台。例如，可以产生局部电流，该局部电流快速地拉开光激发电子分布的一部分，并使用它们为微小的光电设备供电，或驱动特定位置的、时间门控的光催化反应，或研究在空间分离的电子子群之间产生的量子相干效应。

实现上述目的的一个困难是操纵相同光电荷的分布是相当具有挑战性的-它需要人们选择性地仅解决分布的一部分，然后可以与整体分开操纵。即使在更广泛的物理文献中，分离电子群的技术(例如，斯特恩-盖拉赫(Stern-Gerlach)装置或通过势垒的部分量子隧穿)也是很少的。此外，它们不能以超快时间级操作，并且在材料中的光电子的情况下用途有限。

本文的实施例克服了这些和其它困难。具体地，使用光脉冲中的强度变化，可以在掺杂半导体中产生局部电场，其选择性地解决光电子子群，从而以超快时间级将电子的原始高斯分布分离成两个单独的分布。使用理论模型来解释和定量地再现上述步骤和程序的结果，提供了具有高时空分辨率的光电子(以及其他准粒子)分布的任意操纵的清晰路线图。