Phase-change silicon as an ultrafast active photonic platform
相变材料（PCM）具有介于非晶态和晶态之间的独特的光学或电学性质。近年来，它开始在光电显示、动态波前控制、片上光子存储和计算等新兴的光子学应用中发挥关键作用。然而，目前的相变材料在可见光波长下不能有效地吸收，并且会发生变形和分解，限制了可重复性和广泛的可见光波长应用。硅作为电子学和光子学的基础材料，由于其超快的晶化动力学，一直没有被认为是相变材料。在这里，我们展示了一个惊人的事实，纳米硅域可以在纳秒激光脉冲下可逆地结晶和非晶化。对于一个典型的盘谐振器，它也提供了一个25%的非易失性调制在纳秒的时间尺度。我们进一步展示了概念验证实验，这些属性可以实现超高分辨率介电彩色显示和动态可见波前控制。
2019-04-26 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Ultrafast dynamic conductivity and scattering rate saturation of photoexcited charge carriers in silicon investigated with a midinfrared continuum probe
我们采用超宽带太赫兹-中红外探测脉冲来表征高电阻率硅中反射几何结构的光致电荷载流子等离子体的光学响应，在室温下，在宽范围的激发密度（10^{15}-10 19} cm^{-3}）。与传统的太赫兹光谱研究相比，这使得人们能够直接覆盖包含所得等离子体频率的频率范围。的热化等离子体的强度反射光谱，测量使用和频（上转换）探测的探针脉冲，可以很好地模拟由一个标准的德鲁德模型与密度相关的动量散射时间约。200 fs在低密度，达到约。20 fs，密度约为10^{19} cm^{-3}，其中散射率的增加饱和。这种行为可以很好地再现与理论结果的基础上的广义Drude方法的电子-空穴散射率，其中的饱和发生由于相空间的限制，等离子体变得退化。我们还研究了初始亚皮秒时间的德鲁德响应的发展，并讨论了所观察到的上升的散射时间的初始电荷载流子弛豫，以及光激发的样品的光学响应预测的时域有限差分模拟。
2015-02-10 cond-mat.mtrl-sci
Polarization dependent spike formation on black silicon via ultrafast laser structuring
比较实验和理论研究的中心结构的黑硅表面的影响与线性，圆偏振和方位角偏振的激光脉冲SF6环境气氛下。结果表明，非对称椭圆微锥的形成诱导线偏振光束的光吸收由于其空间不对称性的变化。相比之下，使用方位角偏振光束导致椭圆锥取向的全向性，这取决于激光扫描期间的局部电场。局部变化的电场状态，是方位角极化导致一个选择性的锥形取向的诱导结构。由方位角偏振引起的全向锥形分布在可见光谱中产生与对称锥形结构类似的与角度无关的吸收，而对称锥形结构只能用圆偏振光束实现。
2020-10-27 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Cryogenically Enhanced Laser-Induced Amorphous Phase Transitions in Crystalline Silicon
The Ohio State University（俄亥俄州立大学）
本研究探讨了在低温下使用飞秒激光照射单晶硅时非晶化过程的增强机制，通过实验和模拟揭示了低温对材料相变路径的影响，为先进硅微结构化技术提供了新的见解。
2026-05-19 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Probing ultrafast carrier dynamics and nonlinear absorption and refraction in core-shell silicon nanowires
我们研究的弛豫动力学的光生载流子在硅纳米线组成的结晶芯和周围的非晶壳，使用飞秒时间分辨差分反射率和透射光谱在光子能量为3.15 eV和1.57 eV。差分透射率和反射率瞬变的复杂行为是来自纳米线表面和衬底上的晶体芯和非晶硅的混合贡献，其中状态填充和光致吸收的竞争效应支配载流子动力学。在增加光生载流子密度时观察到更快的弛豫速率。独立的实验结果上的结晶蓝宝石上的硅帮助我们在分离的贡献，在纳米线样品中的结晶芯和非晶区域的载流子动力学。此外，在1.57 eV的单束z扫描非线性传输实验中，在开放和封闭的孔径配置产生双光子吸收系数β $ (~3 cm/GW) and nonlinear refraction coefficient \$gamma$（-2.5 × 10 ^-4 cm 2/GW）。
2012-08-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Ultrafast Energy Absorption in Silicon Controlled by Two-Color Double Pulses
The University of Tokyo（东京大学）；National Institutes for Quantum Science and Technology（量子科学技术研究机构）；National Institute of Advanced Industrial Science and Technology（产业技术综合研究所）
研究通过双色双脉冲调控硅中能量吸收机制，揭示不同强度和波长组合对能量吸收的影响，发现电子非平衡态对激发过程的调控作用。
2026-04-28 cond-mat.mtrl-sci
High-Bandwidth Extended-SWIR GeSn Photodetectors on Silicon Achieving Ultrafast Broadband Spectroscopic Response
$2-2.5\,μ$ m波长范围内的高频脉冲发射器的可用性为超快光谱学、自由空间和光纤通信、监视和识别、人工智能和医学成像等领域的大量新应用铺平了道路。然而，开发这些新兴技术及其大规模使用取决于高速，低噪声和具有成本效益的光电探测器的可用性。从这个角度来看，在这里，我们展示了生长在硅片上的锗锡光电二极管，具有高宽带操作，覆盖了扩展的短波红外范围，在室温下的峰值响应度为0.3 A/W。这些GeSn器件表现出高带宽，达到7.5 GHz，在5 V的偏置与2.6 $μ$ m截止波长，和他们的集成在超快时间分辨光谱应用证明。除了能够在2.3 $μ$ m处实现时间分辨电致发光之外，GeSn探测器的高速操作还被用于诊断具有在2.5 $μ$ m处的皮秒范围内的时间分辨率的超连续谱激光的超短脉冲。建立这些能力突出了硅集成高速扩展SWIR应用的可制造GeSn光电二极管的潜力。
2021-11-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Dynamics of Photo-excited Hot Carriers in Hydrogenated Amorphous Silicon Imaged by 4D Electron Microscopy
非晶半导体中的电荷载流子的动力学与晶体半导体中的电荷载流子的动力学根本不同，这是由于缺乏长程序和高缺陷密度。尽管密集的技术驱动的研究兴趣和存在完善的实验技术，如光电导飞行时间和超快光学测量，在非晶半导体中的光激发载流子的动力学的许多方面仍然知之甚少。在这里，我们展示了直接成像的载流子动力学的空间和时间光激发后，在氢化非晶硅（a-Si：H）的扫描超快电子显微镜（SUEM）。我们观察到一个意想不到的制度，快速扩散后立即光激发，随着自发的电子-空穴分离和原子无序引起的电荷捕获。我们的研究结果表明，丰富的动态热载流子输运在非晶半导体，可以揭示直接成像的基础上SUEM。
2016-10-10 cond-mat.mtrl-sci
Ultrafast asymmetric Rosen-Zener-like coherent phonon responses observed in silicon
我们研究了非掺杂硅晶体中相干声子产生的时间信号的光谱轮廓。本文采用作者[Y. Watanabe等人，Phys. Rev. B 95，014301（2017）;同上，96，125204（2017）]。的光谱不对称性揭示在频域的信号的条件下，LO声子模式保持几乎大力共振与等离子体激元模式在早期的时间区域，这持续约100 fs后立即照射的超短泵浦激光脉冲。应当理解，基于绝热时间图，这种不对称性是由两种模式之间的Rosen-Zener耦合引起的。通过测量随时间变化的电光反射率信号，得到了相关的实验结果，并证明了这些与计算结果是一致的。随着光激发载流子密度从满足上述条件的载流子密度进一步向载流子密度的较高侧和较低侧变化，光谱变得更加对称。此外，对CP信号的载流子密度的光章动的效果进行了解决，目前的结果进行了比较，由瞬态Fano共振所造成的不对称性，并在文中的GaAs晶体中观察到的光谱轮廓。
2018-08-27 cond-mat.mtrl-sci
All-optical spin injection in silicon revealed by element specific time-resolved Kerr effect
了解自旋电流如何在皮秒和飞秒时间尺度下流过金属-半导体界面，对超快自旋电子学，数据处理和存储应用具有重要意义。然而，直接访问的自旋电流在这样的时间尺度上的传播的可能性已受到阻碍，同时缺乏超快元件特定的磁敏感探针和定制的金属-半导体界面。在这里，通过自由电子激光为基础的元素敏感克尔光谱，我们报告的直接实验证据的自旋电流在Ni/Si界面的形式不同的磁动力学在Ni M2，3和Si L2，3的吸收边。这进一步允许我们计算硅中自旋电流的传播速度，其在0.2 nm/fs的量级上。
2021-10-04 cond-mat.mtrl-sci
Stronger femtosecond excitation causes slower electron-phonon coupling in silicon
该研究利用超快电子衍射技术测量硅中电子-声子衰减率，发现载流子密度越高，电子弛豫越慢，表明热电子气抑制散射，低载流子密度下硅超快电路性能更优。
2025-02-26 cond-mat.mtrl-sci
Ultrafast dynamics and surface plasmon properties of Silicon upon irradiation with mid-infrared femtosecond laser pulses
我们提出了一个尚未探索的超快过程和动力学的产生的激发载流子在中红外（中红外）光谱区域的飞秒脉冲激光照射硅后的理论研究。分析了在2.2 μm ~ 3.3 μm范围内不同波长λL下电子-空穴子系统和晶格子系统的载流子密度和热响应的演化，探讨了双光子和三光子吸收机制的影响。诱导克尔效应的作用是突出的，它表现出更明显的影响，在较小的波长在中红外范围。对激发表面等离子体激元（SP）的条件的研究表明，在材料表面形成了弱束缚SP波。所示的激发SP的寿命上升时，产生的波长增加一个大于一个预测的更高的激光频率。对不同脉冲宽度τp下的损伤阈值的计算表明，损伤阈值的增加遵循幂律（τ p^{λ L}），其增加率由指数λ L决定。对不同τp下的多光子吸收率和碰撞电离贡献的研究表明，当τp较长时，λL=2.5 μm的损伤比λL=2.2 μm的损伤小。
2019-05-09 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Tuned ionic mobility by Ultrafast-laser pulses in Black Silicon
本研究通过从头算分子动力学模拟探究飞秒激光激发黑硅中杂质浓度对离子迁移率的影响，发现晶体环境随杂质浓度升高弱化，离子迁移率随杂质浓度与激发强度改变，为半导体器件优化提供参考。
2024-09-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Pausing ultrafast melting by timed multiple femtosecond-laser pulses
通过从头算分子动力学模拟，发现定时多重飞秒激光脉冲可暂停硅的非热熔化并形成亚稳态，为控制材料激发过程提供新途径。
2025-07-31 cond-mat.mtrl-sci
Femtosecond structural transformation of phase-change materials far from equilibrium monitored by coherent phonons
诸如准二元GeTe-Sb $_{2}$ Te $_{3}$合金的多组分硫属化物广泛地用于可擦除光盘形式的光学数据存储介质中。Ge $_{2}$ Sb $_{2}$ Te $_{5}$（GST）尤其已被证明是性能最好的材料之一，其可靠性允许超过10个$^{6}$写入-擦除循环。尽管有这些工业应用，GST中快速相变的基本动力学仍然存在争议，并且关于最终速度限制的积极辩论仍在继续。在这里，我们探索超快结构转变的光激发GST超晶格，其中GeTe和Sb $_{2}$ Te $_{3}$空间分离，使用相干声子谱与泵浦-泵浦-探测序列。通过分析不同时间区域的相干声子谱，在GST超晶格（而不是GST合金）中观察到激发时的复杂结构动力学，这可以描述为来自两种不同配位环境的Ge位的混合。我们的研究结果表明，GST超晶格的超快开关器件的可能适用性。
2015-09-28 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Phonon-Assisted Photoluminescence and Ultrafast Exciton Dynamics in Two-Dimensional Silicon Carbide
Indian Institute of Technology Kharagpur（印度理工学院卡拉格普尔分校）；Indian Institute of Information Technology Allahabad（印度信息技术的安拉阿巴德研究所）
研究通过全自洽的多体微扰理论分析二维六方硅碳的声子辅助发射和激子动力学，发现高能光学TO LO声子主导侧带形成，并揭示了单层SiC在宽禁带二维半导体中的高效声子辅助发光平台。
2026-07-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Photovoltage Dynamics of the Hydroxylated Si(111) Surface Investigated by Ultrafast Electron Diffraction
提出了一种利用超快电子衍射测量纳米界面瞬态光电压的新方法。特别是，我们报告我们的结果上的光致电子激发和随后的弛豫在羟基封端的硅表面，一个标准的基板制造分子电子接口。瞬态表面电压的确定通过观察库仑折射的变化引起的修改后的空间电荷势垒内的飞秒电子脉冲的选择性探测体积。结果是在协议与超快光电发射研究的表面状态充电，表明电荷弛豫机制密切耦合到附近的表面，可以描述的漂移扩散模型的载流子动力学。这项研究表明，一个新实施的超快衍射方法调查界面过程，与电荷和结构的分辨率。
2008-05-05 cond-mat.mtrl-sci
Single-Shot Multi-Stage Damage and Ablation of Silicon by Femtosecond Mid-infrared Laser Pulses
尽管超快激光材料加工在过去二十年中以惊人的速度发展，但大多数应用都是利用近红外或可见光波长的激光脉冲开发的。中红外（MIR）飞秒激光源的最新进展可能会为材料加工创造新的能力。这是因为，在这种处理所需的高强度下，波长调谐到更长的波长打开了通向激光-固体相互作用的特殊机制的路径。在这些条件下，由于$λ^2$标度，激光驱动的电子的有质动力能量可以显著超过光子能量、带隙和电子亲合势，并且可以主导地驱动吸收，导致超快激光-固体相互作用的传统概念的范式转变。高强度超快MIR激光与固体的不可逆相互作用是这方面的主要兴趣，但迄今为止还没有系统的研究。为了解决这个根本的差距，我们进行了详细的实验研究的高强度超快修改硅单飞秒MIR脉冲（$λ$ = 2.7 - 4.2 $μ$ m）。超快熔化，与硅氧化物表面层的相互作用，和烧蚀的氧化物和晶体表面的非原位特征在于扫描电子，原子力，和透射电子显微镜结合聚焦离子束研磨，电子衍射，和$μ$ -拉曼光谱。激光诱导损伤和烧蚀（LIDA）阈值作为激光波长的函数进行测量。传统的理论模型不能再现损伤阈值的波长标度。为了解决分歧，我们讨论了可能的新途径的能量沉积驱动的有质动力能量和场效应特性的MIR波长制度。
2019-09-30 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
A tunable time-resolved spontaneous Raman spectroscopy setup for probing ultrafast collective excitation and quasiparticle dynamics in quantum materials
我们提出了一种灵活有效的超快时间分辨自发拉曼光谱装置，用于研究量子物质中的集体激发和准粒子动力学。该装置具有宽的能量调谐范围，从可见光到近红外光谱区的泵浦激发和拉曼探测脉冲。此外，能量和时间分辨率之间的平衡可以控制。通过高数值孔径收集光学器件和高通量柔性光谱仪实现了高的光收集效率。我们证明了设置的功能与研究的区域中心的纵向光学声子和孔连续动态硅，并讨论了时间分辨拉曼散射的拉曼张量的作用。此外，我们通过检测泵浦引起的双声子泛音谱的变化，在硅的布里渊区的不同的高对称点的不平等的声子软化率的证据。通过观察光激发后磁振子的软化和加宽，研究了helimagnet Cu2OSeO3的退磁动力学，强调了在频域测量瞬态动力学的独特能力，以及研究量子物质相变的可行性.
2018-07-02 cond-mat.mtrl-sci
Ultrafast structural and electronic dynamics of the metallic phase in a layered manganite
锰氧化物中不同状态之间的转变可以由各种外部刺激驱动。用光控制这些转变为研究它们进化的微观路径提供了可能性。利用飞秒透射电子显微术研究了双层锰氧化物对超快光激发的响应。我们发现，光致温度跳跃发射的压力波，挑起相干振荡的晶格参数，通过超快电子衍射检测。它们对电子结构的影响通过超快电子能量损失谱（EELS）进行监测，揭示了不同轨道响应特定结构扭曲的动力学。
2014-01-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
$\textit{Ab initio}$ evidence for nonthermal characteristics in ultrafast laser melting
半导体的激光熔化已经被观察了近40年;令人惊讶的是，大多数理论模拟都显示了激光诱导的热过程。基于实时含时密度泛函理论的$\textit{Ab initio}$非绝热模拟揭示了硅在远低于热熔化温度1680 K的温度下的本征非热熔化。激发阈值和衍射强度随时间的变化与实验结果吻合较好。非热熔化归因于激发引起的键合电子密度的急剧变化，以及随后的熔化势垒的降低，而不是晶格加热，如先前假设的两个温度模型。
2016-12-04 cond-mat.mtrl-sci
Optical pulse induced ultrafast antiferrodistortive transition in SrTiO3
利用飞秒光脉冲和时域布里渊散射，研究SrTiO3中反铁畸变相变的超快动力学，发现热驱动四方-立方转变及皮秒级可逆相变，归因于软光学模与氧八面体旋转的结构相似性，为信息处理和储能提供新途径。
2023-09-06 cond-mat.mtrl-sci
Dopant-enhanced solid phase epitaxy in buried amorphous silicon layers
本文研究了H不阻碍本征和掺杂增强固相外延（SPE）的非晶硅（a-Si）埋层中的SPE动力学。在1 - 30 × 10 ~（19）/cm ~ 3的浓度范围内，用多能离子注入形成了As、P、B和Al的分布。退火在空气中进行，温度范围为460-660 ℃，界面运动的速率使用时间分辨反射率进行监测。掺杂剂增强的SPE速率用广义费米能级移动模型进行建模，使用简并半导体统计学。也被认为是界面的结晶和非晶侧之间的带弯曲的效果。
2010-07-30 cond-mat.mtrl-sci
Femtosecond optical breakdown in silicon
研究了脉宽为$τ\le $ 100 fs的近红外强激光脉冲辐照单晶硅的光化、能量沉积、等离子体形成和超快光学击穿。高强度击穿的发生是由体内部吸收的激光能量的突然增加建立的，其对应于阈值能量通量$Φ_{th} > $ 1 J/cm $^2$。光学击穿伴随着透射脉冲的严重光谱展宽。对于所研究的辐照条件，我们发现阈值通量随脉冲宽度的增加而线性增加，而相应的激光强度阈值则降低。研究了高等离子体密度对金刚石晶格稳定性的影响。在阈值能量密度附近，当约5%的价电子被提升到导带时，Si Si键软化，费米简并压力增大（压力可达100 kbar）。金刚石晶格的机械不稳定性表明，大量的电子-空穴对直接导致晶体结构的超快熔化。
2021-09-09 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Layer-Resolved Ultrafast XUV Measurement of Hole Transport in a Ni-TiO2-Si Photoanode
金属氧化物半导体结是大多数电子和光电子器件的核心。在这里，宽带极紫外（XUV）超快脉冲的元素特异性被用来测量Ni-TiO 2-Si结的每一层中的电荷输运和复合动力学。硅的光激发后，空穴被推断为在~100 fs中以弹道方式从Si传输到Ni，导致Ni M2，3 XUV边缘中的光谱偏移，这是空穴的特征，并且最初在TiO 2中没有空穴。同时，观察到电子保留在Si上。皮秒后，观察到Ni上的瞬态空穴数通过TiO 2反向扩散，将Ti光谱转移到更高的氧化态，然后在Si-TiO 2界面和Si体中进行电子-空穴复合。电性能，如在TiO 2中的空穴扩散常数和在Si中的初始空穴迁移率，是从这些瞬态光谱拟合和匹配以及与先前报道的值。
2019-05-30 cond-mat.mtrl-sci
High-Responsivity Graphene-Boron Nitride Photodetector and Autocorrelator in a Silicon Photonic Integrated Circuit
石墨烯和其他二维（2D）材料已经成为宽带和超快光电探测和光学调制的有前途的材料。这些光电能力可以增强互补金属氧化物半导体（CMOS）器件，用于高速和低功率光学互连。在这里，我们展示了一种基于二维异质结构的片上超快光电探测器，该异质结构由封装在六方氮化硼中的高质量石墨烯组成。耦合到硅波导的光学模式，这种二维异质结为基础的光电探测器表现出0.36 A/W的最大响应度和高速工作在42 GHz的3 dB截止。从光电流测量作为顶栅和源漏电压的函数，我们得出结论，光响应是一致的热电子介导的效果。在高于50 mW的中等峰值功率下，我们观察到与电子-声子超碰撞冷却机制一致的饱和光电流。这种非线性光响应使光学片上自相关测量具有皮秒级的定时分辨率和极低的峰值功率。
2015-07-07 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
High Performance Molybdenum Disulfide Amorphous Silicon Heterojunction Photodetector
层状半导体如二硫化钼（MoS 2）的一个重要用途是制造新型异质结器件，从而实现使用传统半导体无法实现的功能。在这里，我们展示了一个超快的金属-半导体-金属异质结光电探测器，由二硫化钼和非晶硅（a-Si），上升和下降时间约为0.3毫秒。这是超过一个数量级的改进，传统的a-Si（~5毫秒）和最好的报道二硫化钼设备（~50毫秒）的响应时间。本文介绍的范德瓦尔斯异质结在绿光（商业成像系统中使用的波长）下产生210 mA/W的高光响应度。这种响应度比最好的MoS 2器件大4倍，比商用a-Si器件大2倍。10倍的速度提高和高光响应性为薄膜成像器提供了一个长达数十年的问题的潜在解决方案，并可能在大面积电子产品中找到应用，如生物医学成像和X射线荧光透视。
2013-03-02 cond-mat.mtrl-sci
Ultrafast transport mediated homogenization of photoexcited electrons governs the softening of the $A_\mathrm{1g}$ phonon in bismuth
为了确定热载流子的非热输运对凝聚态能量耗散的决定性作用，我们对Si（111）上外延生长的$7-197 \mathrm{nm}$厚Bi（111）薄膜进行了时间分辨宽带飞秒瞬态反射率测量。我们监测的傅立叶振幅和相干$A_\mathrm{1g}$声子模式的中心频率的行为作为入射能量密度，膜厚度，和探测波长的范围内的$580 -700 \mathrm{nm}$。光激发之后的频率红移被用作确定受激载流子的有效分布的鲁棒量，该受激载流子支配Bi中相干$A_\mathrm{1g}$声子的位移激发机制。对于Bi膜高达$50 \mathrm{nm}$厚度的均匀激发，由于超快运输的热电荷载流子被观察到，由载流子穿透深度的$60 \mathrm{nm}$独立的总沉积的激光能量的限制。
2022-05-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Ultrafast optical manipulation of atomic arrangements in chalcogenide alloy memory materials
一类硫属化物合金材料在非晶-结晶相变时显示出光学性质的显著变化，这导致了现代光学数据存储中大数据容量的发展。在硫系相变材料中，Ge 2Sb 2 Te 5（GST）由于其可靠性而被最广泛地使用。我们使用一对飞秒光脉冲来演示超晶格中Ge原子从四面体（非晶）到八面体（晶）的超快光学操作。取决于第二泵浦脉冲的参数，超快非热相变发生在对应于GeTe 4局部振动的相干运动的仅几个周期（~ 1 ps）内。在硫属化物合金存储器中使用超快开关可能会导致存储器设备的重大范式转变，超越当前一代基于硅的闪存。
2011-01-05 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Ultrafast relaxation of hot phonons in Graphene-hBN Heterostructures
快速载流子冷却对于高功率石墨烯基器件是重要的。强耦合光学声子（SCOP）在石墨烯中光激发载流子的弛豫过程中起着重要作用。石墨烯和六方氮化硼（hBN）的异质结构已经显示出异常的迁移率和高饱和电流，这使得它们对于应用是理想的，但是hBN衬底对载流子冷却机制的影响还不清楚。我们使用超快泵浦-探测光谱跟踪石墨烯-hBN异质结构中的热光激发载流子的冷却。我们发现，在hBN上的石墨烯的情况下，载流子的冷却速度比在氧化硅衬底上快四倍，从而克服了困扰石墨烯器件冷却的热声子（HP）瓶颈。
2017-04-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Molecular dynamics simulation of silicon nanoparticle crystallization during laser-induced forward transfer printing
University of Arkansas（阿肯色大学）
本研究通过分子动力学模拟揭示了LIFT印刷中硅纳米颗粒结晶过程，发现纳米限制可诱导单晶结构形成，为单晶器件制造提供理论支持。
2026-02-02 cond-mat.mtrl-sci
Ultrafast charge transfer and vibronic coupling in a laser-excited hybrid inorganic/organic interface
无机半导体与有机分子形成的杂化界面是一种非常有趣的光电子材料。界面电荷转移是其独特的电子结构和光学响应的主要原因。因此，至关重要的是要深入了解这一基本过程，也超越了静态的画面。基于实时依赖时间的密度泛函理论耦合到Escherfest分子动力学计划的从头算方法非常适合这个问题。研究了电子受体分子2，3，5，6-四氟-7，7，8，8-四氰基醌二甲烷（F4 TCNQ）吸附在氢化硅团簇上形成的激光激发的无机/有机杂化界面，并讨论了脉冲激发后超短时间窗内电荷转移的基本机制.所考虑的接口是$p$掺杂，并表现出在基态的电荷转移。当它被激发的共振激光脉冲，跨界面的电荷转移额外增加，但与以前的观察在所有有机供体/受体复合物，它不是进一步促进电子振动耦合。在100~fs的时间窗口内，分子振动与电子动力学耦合，增强了分子内电荷转移。我们的研究结果突出了所涉及的物理学的复杂性，并证明了所采用的形式主义的能力，以实现对混合材料中的超快电荷转移的全面理解。
2020-03-27 cond-mat.mtrl-sci
Imaging Localized Variable Capacitance During Switching Processes in Silicon Diodes by Time-Resolved Electron Holography
本研究利用iGate时间分辨电子全息术，首次成像研究两种硅二极管开关过程中空间电荷区的局域电势动力学，揭示了不同器件的电容变化特性，验证了局域动态电势测量的优势。
2024-05-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A brief review: Ultrafast electron diffractive voltammetry: General formalism and applications
我们提出了一个通用的形式主义的超快衍射伏安法的方法作为一个非接触的工具，研究超快表面电荷动力学在纳米结构界面。作为案例研究，在衍射伏安框架的基础上，在氧化硅表面的光致表面充电过程和纳米粒子修饰界面的热电子动力学进行了研究。我们发现，电荷重新分布过程中出现的表面，亚表面和真空水平时，强烈的飞秒激光脉冲驱动。为了阐明不同来源的伏安法贡献，我们使用阴影成像技术和N-粒子模拟进行控制实验，以帮助调查的光电压动力学的存在下的光致发光。我们发现，伏安法的贡献与光电发射有一个很长的衰减尾巴，并发挥了更明显的作用，在纳秒的时间尺度，而超快伏安法是由本地的电荷转移，如表面充电和分子电荷传输在纳米结构的接口。我们还讨论了衍射伏安法作为定量超快电子衍射方法的一个组成部分，在研究具有独特的表面衍射和边界条件的不同类型的接口的普遍适用性。
2013-09-13 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Ultrafast Relaxation Dynamics of Hot Optical Phonons in Graphene
利用超快光学泵浦探测光谱技术，研究了在碳化硅衬底上外延生长的单层和多层石墨烯薄膜以及在镍衬底上化学气相沉积的单层和多层石墨烯薄膜中热光学声子的弛豫动力学。在光激发后的前几百飞秒中，热载流子将其大部分能量损失到热光学声子的产生中，热光学声子随后成为随后载流子冷却的主要瓶颈。在短时间尺度上的光学声子冷却被发现是独立的石墨烯生长技术，层数，和类型的基板。我们发现平均声子寿命在2.5-2.55 ps范围内。我们用速率方程模拟了耦合载流子-声子系统的弛豫动力学，发现实验数据与理论符合得很好。提取的光学声子寿命与基于非简谐声子相互作用的理论非常吻合。
2009-12-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
THz lattice vibrations for active plasmonics with light: Ultrafast optical response in gold/telluride hybrid plasmonic crystals
固体中相干光学声子的激发为亚皮秒时间尺度上的光的超快调制提供了途径。在这里，我们报告的高效3.6太赫兹调制的光反射的混合金属/半导体等离子体激元晶体引起的晶格振动在几纳米厚的元素碲层。我们观察到，表面等离子体激元有助于显着的光诱导形成此薄层之间的界面碲基II-VI族半导体，如（镉，镁）碲或（镉，锰）碲，和一维金光栅。在泵浦-探测实验中，通过飞秒激光脉冲激发和探测$A_1$对称性的相干光学碲声子来监测界面成分的变化。等离子体光栅在半导体上的图案化增强了源自界面区域的瞬态信号。这允许监测层的形成和观察的声子频率的偏移所造成的限制的晶格振动在nm厚的隔离层。利用表面等离子体激元对相干光学声子的有效激发和检测可以通过信号强度对泵浦和探测脉冲的偏振及其光谱分布的依赖性来证明。
2015-11-02 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Synthesis and characterization of atomically-thin graphite films on a silicon carbide substrate
本文报道了石墨薄膜的合成和详细表征，通过热分解的6 H-SiC晶片的（0001）面，证明了单晶薄膜的成功生长到大约一个石墨烯层。生长和表征在超高真空（UHV）条件下进行。用低能电子衍射监测生长过程和样品质量，用芯能级x射线光电子能谱学测定样品厚度。高分辨率角分辨光电子能谱显示恒定的能量图模式，这是非常尖锐和充分的动量分辨，但分辨率不受限制。我们讨论了扫描电子显微镜数据，以及与以前的研究，这一观察的影响。
2006-10-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Ultrafast real-time spectroscopy of low dimensional charge density wave compounds
我们提出了一个飞秒时间分辨光谱（TRS）作为一种实验工具，探测的结果，短期和长期的电荷密度波序的低能量电子态密度的变化。在这些实验中，飞秒激光泵浦脉冲通过材料中的带间跃迁激发电子-空穴对。这些热载流子通过电子-电子和电子-声子碰撞迅速释放能量，在10-100 fs内达到费米能附近的状态。准粒子激发光谱中存在的能隙抑制了最终弛豫步骤，并且光激发载流子在能隙上方积累。通过测量所产生的光致吸收的时间演变来监测光激发准粒子的弛豫和复合过程。这样，载流子弛豫动力学的研究给出了低能量密度态随温度变化的直接信息。本文介绍了飞秒时间分辨光谱技术在研究低维电荷密度波系统中低能电子态密度变化中的应用，并综述了近年来有关准一维和二维电荷密度波（CDW）化合物的实验研究.
2004-01-06 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Effect of heteroepitaxial growth on LT-GaAs: ultrafast optical properties
低温外延生长的硅基砷化镓（LT-GaAs/Si）材料在太赫兹（THz）光电导天线方面具有潜在的应用前景。然而，异质外延生长的LT-GaAs/Si的晶体、光学和电学性质可能与半绝缘GaAs衬底上生长的晶体、光学和电学性质非常不同。在这项研究中，我们调查的光学性质的外延生长的LT-GaAs/Si样品，相比，在相同的衬底温度下生长的参考，并具有相同的层厚度。在LT-GaAs/Si中存在反相畴和一定的晶体取向差。从相干声子谱，本征载流子密度估计为~ $10^{15}$ cm $^{-3}$为任一样品。强等离子体阻尼也被观察到。载流子动力学，在高激发通量的时间分辨太赫兹光谱测量，揭示了样品之间的显着不同的响应。低于饱和时，两个样品都表现出所需的快速响应。在光通量为$\geq$ 54 $μ$ J/cm $^2$的情况下，参考LT-GaAs层显示出导致非指数行为的电子俘获态饱和，但LT-GaAs/Si保持双指数衰减。这种差异归因于LT-GaAs/Si异质外延生长过程中As-As和Ga-Ga键的形成，有效地导致了低得多的As相关电子陷阱密度。
2021-07-20 cond-mat.mtrl-sci
Quantum State and Process Tomography of Energy Transfer Systems via Ultrafast Spectroscopy
多色体系中激发态动力学的描述是现代物理化学中的一个理论和实验难题。一个实验方案，它可以系统地表征相干和耗散过程的水平上不断演变的量子态的发色团是期望的。在这篇文章中，我们表明，一组精心选择的偏振控制的双色外差光子回波实验可以用来重建随时间变化的密度矩阵的一个激子流形的异质二聚体。这种可能性反过来允许通过量子过程层析成像（QPT）的激发态动力学的完整描述。二聚体的计算表明，QPT可以揭示丰富的信息系统浴相互作用，否则出现nontrivially隐藏在标准的四波混频实验中监测的偏振。我们的研究为从量子信息处理的角度分析凝聚相实验提供了一种新的方法。
2011-10-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Ultrafast Electron Dynamics in Epitaxial Graphene Investigated with Time- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy
为了利用石墨烯有趣的光学特性，有必要更好地了解超短时间尺度上材料中的光-物质相互作用。用强烈的超快激光脉冲激发狄拉克费米子会触发一系列涉及电子、声子和杂质之间相互作用的过程。在这里，我们研究这些相互作用的外延石墨烯支持碳化硅（半导体）和铱（金属）基板上使用超快时间和角度分辨光电子能谱（TR-ARPES）的基础上高次谐波产生。对于半导体衬底，我们揭示了一个复杂的热载流子动力学，表现在一个升高的电子温度和线宽的$π$带的增加。通过分析这些效应，我们能够解开石墨烯中的电子弛豫通道。在金属衬底上，发现这种热载流子动力学受到金属的存在的严重干扰，并且我们发现，由于金属对激光场的屏蔽，电子系统比半导体更难加热。
2016-01-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Unified theoretical description of thermal and nonthermal laser-induced ultrafast structural changes in solids
本文提出统一描述飞秒激光激发固体时非热键合改变与电子-离子热化碰撞的理论，推广TTM-MD方程，并在硅薄膜模拟中准确再现Bragg峰演化。
2024-01-19 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Electrically tunable ultrafast dynamics and interactions of hybrid excitons in a 2D semiconductor bilayer
本研究在电调控范德华同质双层中实现对偶极层杂化激子非线性特性的可控调节，揭示其库仑相互作用规律与动力学可调性，为二维材料中激子相关量子现象研究提供支撑。
2025-10-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Ultrafast Temperature Profile Calculation in Ic Chips
集成电路设计中的关键步骤之一是最小化加热和温度不均匀性。目前的温度计算方法，如有限元分析和电阻网络有相当大的计算时间，使它们不兼容的路由和布局优化算法中使用。为了减少计算时间，我们开发了一种新的方法，认为功率模糊，用于计算温度分布，使用矩阵卷积技术与图像模糊类似。对于稳态分析，功率模糊能够预测1摄氏度以内的热点温度，计算时间比FEA快3个数量级。对于瞬态分析，计算时间对于单个脉冲增加了1000倍，对于多个频率应用增加了约100倍，同时预测热点温度在约1摄氏度内。功率模糊技术的主要优势在于它利用了硅衬底中的主要热扩散，并且它使用叠加原理。通过一个或两个有限元模拟，可以计算复杂封装的温度点扩散函数。可以使用附加的仿真来提高芯片上不同位置处的点扩散函数的精度。在此计算中，我们考虑了通过IC芯片背面和散热器的主要热传递路径。从芯片顶部通过金属化层和电路板的热传递通常是总散热量的一小部分，在此分析中被忽略。
2007-09-12 cond-mat.mtrl-sci
Carrier Density Oscillation in photoexcited Semiconductors
半导体从热力学平衡的扰动往往会导致非线性动力学的显示和时空模式的形成，由于竞争过程的自发产生。在这里，我们描述了在硅中的非线性载流子输运的超快成像，激发一个强烈的飞秒激光脉冲。我们使用扫描超快电子显微镜（SUEM）显示，在一个足够高的激发注量，光激发载流子的运输减慢变成一个振荡过程。我们将这种非线性响应归因于电场，这些载流子在本征场和光致场下的空间分离产生的，然后我们提供了一个对流扩散模型，模仿实验观察。我们的发现为高激发态半导体中热载流子的静电振荡提供了直接的成像证据，并为平衡恢复时的时空演化提供了新的见解。
2019-09-13 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Hot carrier diffusion in graphene
我们报道了石墨烯中电荷输运的光学研究。利用高空间分辨率的超快泵浦-探测技术研究了热载流子在外延石墨烯和还原氧化石墨烯样品中的扩散。热载流子的时空动力学的点状激发后进行监测。在外延石墨烯和还原氧化石墨烯样品中分别测量到11，000和5，500平方厘米每秒的载流子扩散系数，载流子温度为3，600 K。所展示的光学技术可用于石墨烯输运性质的非接触和非侵入性原位检测。
2011-02-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Thermal and nonthermal melting of silicon under femtosecond x-ray irradiation
从可见光实验可知，如果从价带到导带激发的电子密度超过某个临界值，那么硅在飞秒脉冲辐照下可以经历所谓的“非热熔化”。这种超快跃迁是由原子势能面的强烈变化引起的，这种变化触发了原子的重新定位。然而，由于电子-声子耦合引起的材料加热也可以导致相变，称为“热熔融”。即使激发电子密度太低而不能引起非热效应，这种热熔化也会发生。为了研究相变，特别是，在硅的热效应和非热效应的相互作用下的飞秒X射线照射，我们提出了他们的统一处理超越Born-Oppenheimer近似在我们的混合模型的基础上紧束缚分子动力学。与我们的扩展模型，我们确定在辐照硅的各种相变的损伤阈值。我们发现，电子-声子耦合触发相变的固体硅到一个低密度的液相，如果沉积到样品中的能量是每个原子的$\sim0.65$ eV以上。对于沉积的剂量超过$\sim0.9$ eV每原子，固体硅经历相变到高密度液相之间的相互作用，电子-声子加热和非热效应触发。这些阈值远低于Born-Oppenheimer近似（$\sim2.1$ eV/atom）的预测值，表明电子-声子耦合对激光激发硅弛豫的重要贡献。我们期望这些结果将刺激专门的实验研究，详细揭示激光辐照硅内结构弛豫的各种路径。
2015-04-20 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph physics.plasm-ph
ZnCdO:Eu Epitaxially Grown Alloys for Self-Powered Ultrafast Broadband Photodetection
Wroclaw University of Science and Technology（弗罗茨瓦夫科技大学）；Institute of Physics, Polish Academy of Sciences（波兰科学院物理研究所）
本研究通过分子束外延生长ZnCdO:Eu合金，利用压电-光电效应实现超快自供能光电探测。
2026-02-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
THz-pump -- THz-probe spectroscopy of semiconductors at high field strengths
用强度高于150 MW/cm 2的超快THz脉冲泵浦n型GaAs和InSb分别在300 K和200 K的温度下显示出强的自由载流子吸收饱和。如果给予载流子的能量超过带隙，则可能发生碰撞电离过程。GaAs中的载流子冷却和InSb中的碰撞电离的动力学进行了监测，使用太赫兹泵浦/太赫兹探测光谱，它提供了两个子带隙激发和探测，消除任何直接的光学电子空穴的产生，复杂的结果在光学泵浦/太赫兹探测实验的评估。
2009-04-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Time-resolved radiative recombination in black silicon
本文研究热氧化、光刻胶涂覆和氯等离子体刻蚀制备的黑硅的时间分辨辐射复合，识别蓝光无声子复合及红光慢过程，并结合多种表征解释其量子尺寸效应。
2025-03-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Regenerative oscillation and four-wave mixing in graphene optoelectronics
石墨烯独特的线性和无质量能带结构，在一个纯粹的二维狄拉克费米子结构，导致了激烈的研究，从凝聚态物理纳米器件应用覆盖电，热，机械和光学领域。在这里，我们报告了石墨烯-硅混合光电子器件中的三个连续的首次观察：（1）超低功率谐振光学双稳态;（2）自诱导再生振荡;和（3）相干四波混频，所有这些都在几个毫微微焦耳腔循环能量。与仅使用单片硅腔的控制测量相比，这些观察仅通过石墨烯中的巨大和χ（3）非线性以及波长局域化光子晶体腔中的大Q/V比来实现。这些结果证明了混合二维石墨烯-硅纳米光子器件用于下一代芯片级超快光通信、射频光电子学和全光信号处理的可行性和多功能性。
2012-06-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
The seeds and homogeneous nucleation of photoinduced nonthermal melting in semiconductors due to self-amplified local dynamic instability
激光诱导半导体非热熔化在过去的四十年里一直在研究，但其基本机制仍在争论中。在这里，通过利用先进的实时时间相关的密度泛函理论模拟，我们发现，光激发诱导的超快非热熔化硅发生通过均匀成核与随机种子起源于自放大的局部动态不稳定性的光激发态，而不是同时打破所有的债券，如建议的惯性模型，声子不稳定性，或库仑排斥机制。由于这种局部动力学不稳定性，原子的任何初始小的随机热位移可以通过光激发载流子的电荷转移来放大，这反过来又为激发载流子产生局部自陷中心并产生随机成核种子。这一发现为光诱导超快非热熔融提供了新的见解。
2021-11-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
