http://www.physorg.com/news/2011-07-d-photonic-crystal-electronic-optical.html
July 24, 2011
在一項能為太陽能電池、雷射、超材料等等開啟新頁的進展中，Illinois 大學研究者證明了第一個具光電（optoelectronically）活性的 3D 光子晶體。
"我們發現一種改變已確立之半導體材料的三維結構的方法，使其具有新的光學特性同時維持極具吸引力的電氣特性，" Paul Braun 表示，一位材料科學與工程教授以及化學教授，他領導這項研究。
這個團隊將其進展發表在 Nature Materials 期刊上。
光子晶體（Photonic crystals）是那些因其獨特的物理結構，能以意想不到的方式控制或操縱光線的材料。光子晶體能引發不尋常的現象，並且以傳統光學材料與裝置所不能的方式來影響光子的行為。在雷射、太陽能、LEDs 及超材料的應用中，它們是研究上的熱門材料。
然而，先前製造 3D 光子晶體的嘗試，僅導致有光學活性的裝置，它們能引導光卻沒有電活性，故它們無法將電轉變成光，反之亦然。
Illinois 團隊的光子晶體二種特性都有。
"以我們的方法來製造光子晶體，將有許多同時將電氣與光學特性優化的可能性，" Erik Nelson 說，Braun 實驗室的前畢業生，現為哈佛大學博士後研究者。"那賦予你控制光線的機會，那些方法在控制其發散或吸收，或著如何傳播上，都非常獨特。"
為了要創造同時具電氣及光學活性的 3D 光子晶體，研究者從一個將微小球體包裹在一起的模板（template）開始。接著，他們沈積砷化鎵（GaAs，一種廣泛使用的半導體），填滿球體間的空隙。
砷化鎵由下而上以單晶方式生長，一種稱為磊晶（epitaxy）的製程。磊晶在業界很常見，用以創造平面的二維單晶半導體薄膜，不過 Braun 的小組開發出一種方法，能將之應用到複雜的三維結構上。
"此處的關鍵發現為，我們藉由這種複雜的模板來生長單晶半導體，" Braun 說，他亦隸屬 Beckman Institute for Advanced Science and Technology 以及 Illinois 洲的 Frederick Seitz Materials Research Laboratory。 "砷化鎵想要由下而上在基質上生長薄膜，不過它闖入模板中並圍繞它。幾乎像是這個模板裝滿了水，只要你繼續生長砷化鎵，它就會繼續由下而上填滿模板，直到抵達最頂層。"
這種外延式（epitaxial）方法，消除了許多由上而下的製造方法所引發的瑕疵，那是創造 3D 光子結構的熱門路線。另一項優勢是容易創造成層的異質結構。例如，以砷化鎵填充部份模板，然後短暫地將蒸氣流換成另一種材料，就能將某種量子阱引入光子晶體中。
一旦模板裝滿，研究者將球體移除，留下一個複雜的、由單晶半導體所構成的多孔 3D 結構。他們接著將整個結構塗佈上一層非常細薄的半導體，該半導體具有較寬的能帶隙，藉此改善效能並防止表面複合（surface recombination）。
為了測試他們的技術，研究小組打造一個 3D 光子晶體 LED，第一個如此運作的裝置。
Braun 的小組為了特定應用，目前正在研究將結構最佳化。此 LED 證明概念產生了有用的裝置，但透過調校結構或使用其他半導體材料，研究者能改善太陽的收集，或在超材料應用中以某種特定波長為目標，或製造低閾值雷射。
"從這點來看，那是一種改變裝置的幾何以成就你所想要的特性的事，" Nelson 說。那真的開啟一個研究極端效率或新穎能源裝置的全新領域。
※ 相關報導：
＊ Epitaxial growth of three-dimensionally architectured optoelectronic devices
http://dx.doi.org/10.1038/nmat3071
Erik C. Nelson, Neville L. Dias, Kevin P. Bassett,＊ 石墨烯的躍進使電子裝置更密實
Simon N. Dunham, Varun Verma, Masao Miyake, Pierre Wiltzius,
John A. Rogers, James J. Coleman, Xiuling Li, Paul V. Braun.
Nature Materials (2011)
doi: 10.1038/nmat3071
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