为了采集光电子，需要側重在光子与电子碰撞的瞬间，产生的负电亚原子粒子，是形成我们现代电子生活的基础，如果时机正确的话，当光子与电子相遇时就会发生能量的交换。对于要实现高效捕捉光子来说，提高转移能量的最大值就会是一大关键。
「那是理想情况，但实际上要发现高效率的方式很困难。」华盛顿大学(UW)物理博士生Sanfeng Wu说，「研究人员一直在寻找能让他们这样做的材料──一种可以让每个吸收的光子转移全部能量到很多电子上，而非像传统设备只转移到单个电子。」
「在传统捕捉光子的方法中，能量从光子激发电子的有无，是取决于吸收方的能隙，一般只转移光能的一小部分到电子上，剩余的能量则以热形式散出。但在Science Advances五月13日发表的文献里，Wu先生、UW副教授Xiaodong Xu和其他四个机构的同事，指出一种相当具有前景，能诱导光子激发多个电子的方法。他们的方法使用了一些惊人的量子级交互作用，让单个光子具有和多个电子配对的潜能。Wu和Xu先生，分别隶属于UW的材料科学工程系和物理系，他们采用石墨烯来完成这项惊人的发现。
「石墨烯是一种具有许多超凡特性的物质。」Wu说，「对于我们的目標来说，它能和光产生非常有效的交互作用。」
石墨稀是一种碳原子呈六角形晶格排列的二维材料，并且电子可以在石墨烯上自由地移动，研究人员使用单层石墨烯──只有一个碳原子厚度的薄层，再将其夹在两层氮化硼薄层间。
「氮化硼具有非常近似于石墨烯的晶格结构，但却拥有截然不同的化学特性。」Wu说，「电子不会轻易地在氮化硼间流动；基本上它就好比是一个绝缘体。」
Xu和Wu发现，当石墨烯的层间晶格排列对齐氮化硼晶格时，一种「超晶格」就孕育而生了，而且其具有让研究人员追求的高效光电特性。这些性质是由于量子力学，偶尔会有一些费解的规则主导着所有已知粒子间的交互作用。Wu和Xu在超晶格间的范霍夫奇点(Van Hove singularities)检测特别的量子区域。
「这些是高电子密度的区域，并且它们无法在石墨烯或氮化硼间单独取得。」Wu说，「我们只能透过将他们层间排列在一起时，才能获得这种高电子密度的区域。」
当Xu和Wu在引导高能光子到超晶格时，他们发现在那些范霍夫奇点区域时，一个高能的光子能转移能量给多个电子，而那些电子能接连的用电极收集起来，不再只是单个电子，或又有残余能量以热形式散失。保守估计来说，Xu和Wu指出，在这些超晶格间，一个光子能「踢」五个电子以形成电流。
有了这项发现，研究人员可以创建一种更高效的器件，让采集光子时可以有更多电子的回馈。未来的工作将会去发掘如何将激发电子汇整成电流，以达到最优化的能量转换效率，并且再移除一些他们超晶格里恼人的问题；像是需要磁场。但他们仍然深信，在光子与电子间的这个高效过程将会带来重大的进展。
「石墨烯是一只具有巨大光电潜力的老虎，但被锁在牢笼里。」Wu说，「而范霍夫奇点则是那把打开牢笼的密钥，得以释放石墨烯在光捕捉的潜在应用。」
本文由编辑部杨洪期提供素材，洪聖哲编译。
论文地址：Multiple hot-carrier collection in photo-excited graphene Moiré superlattices
原文链接：UW researchers unleash graphene ‘tiger’ for more efficient optoelectronics
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