闪光改写半导体晶体结构，玻璃基板全程维持低温

研究人员开发出一种利用极短闪光来调控半导体材料内部晶体结构的技术，有望提升太阳能发电相关技术的性能。在该实验中，研究团队将薄膜涂层加热至接近2000摄氏度，而承载这层薄膜的玻璃基板温度却维持在100摄氏度以下，这是传统加热手段无法实现的效果。

玻璃基板及其导电涂层都无法承受500‑600摄氏度以上的高温，因此，此前业界一直认为无法在这类基底上开展高温工艺处理。这项研究发表在《Small Structures》期刊上，论文由希伯来大学化学研究所、纳米科学与纳米技术中心的Shahar Artzi与Ronen Gottesman博士主导。

一道闪光重构晶体，再一道闪光使其恢复原状，下方玻璃全程保持低温。

很多化学组成完全相同的材料，可以具备多种不同晶体形态，也就是多晶型。不同晶体结构会带来差异巨大的材料性能，但性能更优异的晶相往往并不稳定，很难维持住。金刚石与石墨就是经典例子：二者成分都是纯碳，区别只在于原子排布方式。

对于电子材料来说，性能表现更理想的晶相，往往只在高温条件下稳定存在；一旦材料缓慢降温，就会变回普通结构。

想要保留这种高性能晶相，一直存在两大阻碍。传统炉体加热会同时加热薄膜涂层和下方基底，还没等表层薄膜达到所需温度，玻璃及其导电层就已经抵达温度耐受上限。此外，炉体降温速度很慢，原子有充足时间，在降温过程中重新排布回普通晶体结构。

研究人员采用闪光光子加热技术，对氧化铋薄膜施加高强度白光脉冲。原理和摄影闪光灯类似，但光强更高、时间控制更精准。脉冲持续时间约零点几毫秒到数毫秒；薄膜直接吸收光能，升温和冷却速度远快于下方的玻璃基板。通过调节闪光的持续时长与光强，研究团队就可以在该材料的两种晶相之间进行切换。

Gottesman表示：“核心思路是让材料极速升温和极速冷却，把通常会消失的晶体结构‘冻结’保留下来。借此，我们可以获得传统加热工艺很难维持的优异材料性能。”

值得注意的是，最终材料形态并不由总输入能量决定。两束总能量完全一致的光脉冲，只要能量释放的快慢不同，就能生成两种完全不一样的材料。

长脉冲会生成稳定的 α 相；而短而强的脉冲，可以在室温下捕获不稳定的 β 相。相变可以肉眼观察到，材料会从浅灰色转变为亮黄色。

β 相可以吸收更宽波段的可见光，能够吸收稳定 α 相会直接透过的光线；根据薄膜制备条件不同，它产生的光电流可以达到 α 相的10‑50倍。研究人员认为，性能提升来源于材料内部电荷迁移效率的改善。

“特别有价值的一点是，我们并没有改变材料的化学组分，”Gottesman补充道，“我们只是改变原子的排列方式，这种结构变化就大幅提升了材料的光响应能力。打个通俗比方，就像铁匠淬火炼钢：极速冷却，晶体就来不及松弛变回原本的稳定结构。我们利用光完成同样的效果，时间尺度在毫秒级别，而且直接在触控屏同款透明导电玻璃基底上实现。”

该团队还实现了两种晶相之间的反复可逆切换，可以在两种晶体形态之间来回循环。研究人员称，此前还没有在真实器件所用的镀膜导电玻璃上完成过这类可逆相变演示。

虽然本研究以氧化铋为对象，但研究人员表示，该技术有潜力拓展到太阳能转换、光催化、先进电子器件的其他材料。团队目前正在研究，能否把这套工艺应用到耐热能力更低的塑料柔性基底上。