压力诱导硼富集半导体光电性能的巨大增强及其反威尔逊效应机制研究

《National Science Review》：Giant enhancement of optoelectronic properties in compressed boron-rich semiconductors

本研究针对极端条件下光电设备性能退化问题，开展了高压对AlCu1-δB25硼富集半导体光电性能影响的研究。研究发现压力通过反威尔逊效应（anti-Wilson）使光电流提升20倍以上（达～7.22 μA），暗电流降低近四个数量级（至～0.2 nA），开关比提升超105倍，响应速度加快三个数量级。第一性计算表明该异常源于Al-3s与B-2s电子相互作用，为恶劣环境光电器件开发提供了新思路。

　　

在光电技术飞速发展的今天，极端环境下的设备性能稳定性已成为制约其应用的瓶颈问题。高温、高压等恶劣条件往往导致传统半导体材料出现暗电流飙升、光响应灵敏度骤降等严重性能衰减。面对这一挑战，研究者将目光投向了具有特殊电子结构的硼富集半导体材料，试图通过外部物理场调控来解锁其潜在的光电性能。

发表在《National Science Review》上的这项研究，系统揭示了压力对AlCu_1-δB₂₅硼富集半导体光电性能的独特增强作用。研究人员发现，不同于常规半导体材料在高压下性能恶化的普遍规律，该材料表现出反常的“反威尔逊效应”（anti-Wilson effect）——随着压力增加，其光电性能不降反升，实现了性能的跨越式提升。

为深入探究这一现象，研究团队采用了高压光电测量技术，系统表征了材料在0-26.5 GPa压力范围内的光电流、暗电流及响应时间等关键参数。通过高压光学吸收谱揭示了电子结构演变规律，并结合第一性原理计算（first-principles calculations）从原子尺度阐明了性能增强的物理机制。

压力诱导的光电性能巨变

在26.5 GPa高压下，AlCu_1-δB₂₅的光电流达到了～7.22 μA，比常压条件下增强了二十多倍。更为惊人的是，暗电流被压制到～0.2 nA的极低水平，降幅接近四个数量级。这种光电流大幅提升与暗电流急剧下降的协同效应，使得材料的开关比（on/off ratio）提高了超过10⁵倍，创造了该类材料性能纪录。

响应速度的显著提升

除了电流特性的改善，压力还显著加快了光电响应速度。实验数据显示，材料的响应时间在高压下缩短了三个数量级，这意味着器件能够更快地完成光信号到电信号的转换，对于高速光电应用具有重要意义。

反威尔逊效应的电子结构根源

通过光学吸收测量，研究人员观察到了压力驱动的反威尔逊效应异常现象。第一性原理计算结果表明，这种异常源于Al-3s电子态通过与B-2s电子的相互作用发生了能级上移，这种独特的电子重排机制改变了材料的载流子行为，从而优化了光电性能。

研究结论表明，压力通过诱导AlCu_1-δB₂₅发生反威尔逊效应，实现了光电性能的全面优化。这一发现不仅深化了对硼富集半导体材料构效关系的理解，更重要的是为设计适用于极端环境的高性能光电器件提供了新思路。该研究确立的“压力优化”策略有望推广至其他半导体体系，为开发下一代恶劣环境耐受型光电设备奠定了理论基础。