把碲酸盐玻璃变成“透明”光能收集器

将碲酸盐玻璃暴露在飞秒激光下会发生什么？洛桑联邦理工学院 Galatea 实验室的 Gözden Torun 与东京工业大学的科学家合作，在她的毕业论文研究中试图回答这个问题，她的这一发现有朝一日可能将窗户变成单一材料的光收集和传感器件。该研究成果发表在《Physical Review Applied》上。

利用飞秒激光蚀刻半导体图案，将碲酸盐玻璃变成 "透明"光能收集器。资料来源：EPFL / Lisa Ackermann

科学家们对碲酸盐玻璃中的原子在高能飞秒激光的快速脉冲照射下如何重组很感兴趣，他们偶然发现在玻璃上形成了纳米级的碲和氧化碲晶体，这两种半导体材料都是蚀刻在玻璃上的，而这正是玻璃被照射的地方。这就是科学家们发现的奇迹时刻，因为半导体材料暴露在日光下可能会产生电能。

图1：器件制备步骤（a）-（c）和光电导表征方法（d）示意图。(a) 应用于碲酸盐玻璃的飞秒激光直写工艺：在激光束下以规定的速度移动试样可产生线条图案。(b) 通过硬掩膜溅射金属，在样品两端制作金电极，以保护中央部分。(c) 使用焊线将样品上的电极与安装玻璃基板的标准印刷电路板连接起来。(d) 通过印刷电路板引脚施加 -40 至 +40 V 的偏置电压，进行器件表征。用于光电导特性鉴定的照明源以细椭圆形光斑的形式提供，分别照射各个线型。资料来源：Gözden Torun等人，《Femtosecond-laser direct-write photoconductive patterns on tellurite glass》，《Physical Review Applied》（2024）。

负责管理 EPFL Galatea 实验室的 Yves Bellouard 解释说：碲是半导体，基于这一发现，我们想知道是否有可能在碲酸盐玻璃表面写入持久的图案，从而在光线照射下可靠地诱发电流，答案是肯定的。这项技术的一个有趣的转折点是，在这个过程中不需要额外的材料。只需要碲酸盐玻璃和飞秒激光就能制造出活性光电导材料。

图2：(a) 器件对单位入射光功率的光谱响应。(b) 不同电压偏置（-40 V 至 +40 V）下的 I-V 曲线。(c) 不同光功率密度（0.07-2.1 mW/cm²）下的典型时间演变。(d) Te/TeO₂ 玻璃纳米复合材料结构的响应度、检测度、EQE (%) 和产生的光电流。(e) 线条图案的光电流上升和衰减时间。所有测量均在室温露天环境下进行。资料来源：Gözden Torun等人，《Femtosecond-laser direct-write photoconductive patterns on tellurite glass》，《Physical Review Applied》（2024）。

EPFL 团队利用东京工业大学同事生产的碲酸盐玻璃，运用飞秒激光技术的专业知识对玻璃进行改性，并分析激光的效果。在直径为 1 cm的碲酸盐玻璃表面照射一个简单的线条图案后，Torun 发现它在紫外光和可见光谱照射下能产生电流，而且这种电流能持续数月之久。Yves Bellouard 说：这太棒了，我们正在用光将玻璃变成半导体。我们实质上是在将材料转化为其他东西，或许接近炼金术士的梦想。

图3：(a) 在 400 nm波长下，不同电压偏置下无光照和有光照时的 I-V 曲线。测量是在图 2 所示器件制造一个月后进行的。(b) 器件制造 1 个月后，在 400nm 光照下，不同光功率密度（0.07-2.1 mW/cm²）下光电流的典型时序变化。(c) Te/TeO₂ 玻璃纳米复合结构的响应率、检测率、EQE (%) 和器件制造 1 个月后产生的光电流。(d)-(f) 制造当天、第一个月后和第二个月后分别观察到的通量为 2.1 mW/cm² 的 400nm 波长重复时间响应。资料来源：Gözden Torun等人，《Femtosecond-laser direct-write photoconductive patterns on tellurite glass》，《Physical Review Applied》（2024）。

图4：(a) 原始玻璃在 445nm 拉曼激光照射 1500s 后的拉曼光谱。 (b) 激光照射线型图案 300s 后的拉曼光谱。飞秒激光处理参数为 200 nJ，0.5 mm/s，1 MHz（相当于 262 J/mm2 的入射脉冲通量）。请注意，拉曼研究是在制作测试样品的同一天进行的。(c) 拉曼激光照射 300s 后，激光改性区 Te [I93 + I122 + I141 + I170 + I260, (%)] 与原始玻璃峰 [I356 + I470 + I610 + I670 + I720 + I790 + I860 + I920, (%)] 的相对强度。资料来源：Gözden Torun等人，《Femtosecond-laser direct-write photoconductive patterns on tellurite glass》，《Physical Review Applied》（2024）。

参考文献：Gözden Torun等人，《Femtosecond-laser direct-write photoconductive patterns on tellurite glass》，《Physical Review Applied》（2024）。