超晶格概念自1970年一提出，就被認(rèn)為是半導(dǎo)體物理領(lǐng)域一個(gè)具有里程碑意義的進(jìn)展，在上世紀(jì)80年代和90年代成為半導(dǎo)體物理十分熱門的研究領(lǐng)域。超晶格中微帶輸運(yùn)和量子阱之間的級(jí)聯(lián)共振隧穿會(huì)導(dǎo)致負(fù)微分電導(dǎo)效應(yīng)，這使得超晶格成為一個(gè)理想的具有多個(gè)自由度的非線性系統(tǒng)。

　　論文通訊作者、天津大學(xué)材料學(xué)院教授杜希文說，當(dāng)半導(dǎo)體材料直徑在幾納米大小時(shí)，可表現(xiàn)出許多獨(dú)特的物理性質(zhì)。如大家熟知的硅，正常體積下將太陽能轉(zhuǎn)換電能的最高效率為33%，但是當(dāng)硅的體積為4納米左右時(shí)，效率可以提高到66%。有的材料則能發(fā)出特別光，如果在腫瘤的抗體藥物上攜帶納米級(jí)別的發(fā)光材料，可以非常準(zhǔn)確地標(biāo)記出腫瘤的位置，為醫(yī)生判斷病情、尋找病灶提供幫助。正是因?yàn)檫@些量子點(diǎn)(又稱為半導(dǎo)體納米晶)具備這樣神奇的能力，因此目前是各國(guó)科研人員研發(fā)的熱點(diǎn)。

　　許多與空時(shí)非線性效應(yīng)相關(guān)的物理現(xiàn)象都能在超晶格中觀測(cè)到，如靜態(tài)電場(chǎng)疇、周期性自激振蕩、自發(fā)混沌振蕩等。一直以來，這些現(xiàn)象都只能在液氮溫區(qū)以下的低溫環(huán)境才能觀測(cè)到，嚴(yán)重地限制了超晶格器件的進(jìn)一步研究和實(shí)用化推廣。這是近年來半導(dǎo)體超晶格研究領(lǐng)域變得十分冷清的主要原因。

　　杜希文說，傳統(tǒng)的機(jī)械工藝最多能將半導(dǎo)體材料粉碎到微米的程度，體積是納米級(jí)別的上千倍。過去一直通過濕化學(xué)方法，利用集中化學(xué)物品之間的反應(yīng)，制得量子點(diǎn)材料。但是這種方法耗時(shí)長(zhǎng)，少則幾個(gè)小時(shí)多則幾天，還會(huì)產(chǎn)生大量的污染物，對(duì)環(huán)境造成負(fù)擔(dān)。

　　4年前，杜希文教授實(shí)驗(yàn)室的一名學(xué)生做用激光將金屬靶打碎成金屬粒的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)一般只需用激光照射金屬靶3分鐘左右，但學(xué)生中途離開，放任激光照射金屬靶達(dá)4個(gè)多小時(shí)。該團(tuán)隊(duì)隨后發(fā)現(xiàn)，金屬靶被打成了尺寸為幾納米的金屬粒子，這樣的結(jié)果比以前要理想多了。他們轉(zhuǎn)而把這一“奇怪”現(xiàn)象作為一項(xiàng)研究重點(diǎn)，探索如何利用激光把半導(dǎo)體材料“敲成”納米大小的均勻顆粒。最終歷時(shí)4年，在這一領(lǐng)域探索出了合成單分散量子點(diǎn)的物理方法。

　　利用激光這把“錘子”，科學(xué)家們可以根據(jù)實(shí)際需要“變化”力度，精確控制半導(dǎo)體材料的具體尺寸。相比濕化學(xué)方法，這種世界首創(chuàng)的方法耗時(shí)短，一次僅需20多分鐘，獲得的量子點(diǎn)大小更均勻，表面沒有化學(xué)藥物，非常潔凈。杜希文說，預(yù)計(jì)未來這一工藝可以幫助獲得更加廉價(jià)的量子點(diǎn)，使其在疾病診斷、水污染檢測(cè)、光電轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域發(fā)揮更加顯著的作用。