光的軌道角動量：調控光電流的新途徑

113年10月11日

【本篇報導由物理學系  藍彥文教授研究團隊提供】 　　光可以帶有自旋與軌道角動量，分別體現於圓偏振以及渦旋光上。軌道角動量的光在理論上擁有無限的自由度，預期可以應用於光通訊的領域。此外，光額外的軌道角動量會引發電子躍遷形式的改變，進而影響電子激發至導帶的濃度，改變光電流的大小。在這篇論文中，矽奈米線所製成的場效應電晶體被用來感測光的軌道角動量。電性上的結果顯現，光電流隨著軌道角動量的變大而上升；該現象，可以被歸因於軌道角動量的光增強了材料對光的吸收率，使得光電流來源於光導效應（Photoconductive Effect）和光閘效應（Photogating Effect）的現象被提高。不同軌道角動量的光所引發之光電流隨著光強的變化，亦證明了該現象。透過這份研究，可以預期除了光強與頻率，未來可以把光的軌道角動量當作一個額外的自由度來去調控材料的光電流。   　　快速的傳遞資訊，在現今講究影片高畫質、或是即時會議的時代來看，尤為重要。目前，場效電晶體早已被用來當作高頻的電流調控手段。然而，當要再更進一步提高調控速率還須仰賴光電半導體。光通訊的好處在於打破了空間的限制，不需要拉一條很長的銅線進行數據傳遞。光電子工程被廣泛應用於光通訊技術，以感測光子訊號，並將之轉成電訊號進行數據的分析與儲存；反之，亦可將電訊號轉成光訊號進行數據的傳送。本篇研究探討光感測器的原理與應用。光感測器是屬於光子學（Photonics）的範疇，其主要在探討光子如何與材料進行交互作用。依照其應用的方式，主要可以分為以下三大類，1.發光二極體（LED）與雷射（LASER）；2.光感測器（Photodetectors）；3.光伏裝置（Photovoltaic Device）。第一種是用於把電能轉成光能，因此在LED會強調電致發光（Electroluminescent）的效率。光感測器與光伏裝置（太陽能電池）都是反過來將光能轉成電能，但差別在於光感測器可用於感測微弱的光強，而太陽能電池感測的光強通常較大；且為了將光能轉成電能，太陽能電池的操作，處在沒有外加偏壓的情況；相比之下，光感測器的工作區域都是在有外加電壓的情況下進行操作。 　　光除了有自旋角動量，也有軌道角動量（渦旋光），波前被定義為空間上同相位的點所連成的面。以平面波為例，若將空間中所有波的波峰連接起來，即為一平面。平面波的重要性在於，複雜的波（例如，Laguerre Gaussian Beams）可由不同比重、不同傳遞方向的平面波進行疊加。渦旋光與平面波不同在於，其波前並非成一平面狀，若將渦旋光切一橫切面來看，可觀察在空間中同一平面上，波並非在同一相位。若將同一相位的點連成線（波前），就可發現渦旋光的波前是捲曲的。渦旋光與物質交互作用，為了滿足角動量守恆的定律，電子躍遷的選擇定律（Selection Rules）會因為光的角動量而有差異，電磁波激發物質中電子在能態的躍遷可以是雙極躍遷（Dipole Transition）、四極躍遷（Quadrupole Transition）、或是更高次方的躍遷方式。本篇論文，將探討渦旋光與奈米矽線的交互作用，探究其光電流與渦旋光的關係。   圖1：渦旋光增強奈米矽線場效電晶體之光導電度   　　在實驗上，研究團隊固定功率、偏振方向，透過物鏡聚焦並垂直入射於奈米矽線元件上，實驗結果以及數據的分析與推論指出，軌道角動量的光隨著角動量Ｌ的上升而導致材料的光電導效應（PC）的介入以及電子濃度的上升。另外，在低閘極電壓下，光閘極效應（PG）也顯著地參與光電流的貢獻，如圖1所示。研究團隊推測，具有軌道角動量的光與物質交互作用後，可以產生額外的躍遷，光子可以更有效率地激發電子至導帶，導致材料對光的吸收率上升，而體現在PC以及PG這兩個與電子躍遷有關的效應上。本研究引入了改變光的軌道角動量來去增加光電流，且由於光的軌道角動量可以有很多的數值；因此，類似於光的頻率、光的功率，軌道角動量亦可當作一個額外的自由度來去調控光電流的大小。   原文出處：Feng, Y. J., Simbulan, K. B., Yang, T. H., Chen, Y. R., Li, K. S., Chu, C. J., ... & Lan, Y. W. (2022). Twisted Light-Induced Photocurrent in a Silicon Nanowire Field-Effect Transistor. ACS nano, 16(6), 9297-9303. https://doi.org/10.1021/acsnano.2c01944