来自美国 IBM 纽约 Watson 研究中心的 Oki Gunawan 博士想出了一种全新的方法,他别出心裁地在实验中加入了“光”这一变量,将霍尔效应升级为“光-霍尔效应(Photo-Hall effect)”,并改进了实验的测量策略和公式,成功地在一次测量中测量出有关两种载流子的7种不同数据。加入光之后,在原处于稳态的太阳能电池内部必定会发生变化——出现很多电子和空穴,也必定会对其导电特性产生影响。
Gunawan 特别设置了两种材料,并将它们在光照下进行霍尔效应测试的结果放在一起,对比实验结果,得出一个神奇的公式:
其中的 μH是两种载流子霍尔迁移率之差,H 是霍尔系数,σ 是电导。这成为了解决问题的金钥匙,基于这个方程能够将有关两种载流子的 7 种不同参数推出,包括浓度、迁移率、扩散长度和载流子寿命等。
可以说,这打破了霍尔效应出现以来 140 年的沉寂,又将霍尔效应推向了应用的前沿阵地。理论上的突破还远远不够,还需要实验来验证和实现,如何实现又是另一个故事了。光霍尔效应理论上需要很“纯净”的霍尔信号,而太阳能电池,特别是文中采用的“钙钛矿(Perovskites)”材料的电导很小,会产生巨大的霍尔信号干扰。
因此,Gunawan 采用了交流(振荡)磁场并连接傅里叶分析进行霍尔测量。如下图,通过傅里叶变换,可以找到信号最明显的地方,再进行分析就好,这就好像是在收音机中找你最喜欢的电台一样,其他频率都是噪声,而特定的频率就会有电台节目。
新的光霍尔效应或许能成为新的电学测量工具,为电子材料的研究打开新的篇章,它将我们需要用其他精密仪器分开进行测量的 7 种参数,一次测量出来,大大增大效率。
对于光霍尔效应测量,Gunawan 博士表示:“我们还想了解更多,如果我们采用的材料不是特制的,又或者这个公式中的材料模型并不如我们假设一样理想,应该如何处理。更重要的是我们必须了解到这个方法的局限性,这套系统显然不能适用于金属。需要采用高能激光来激发金属中的电子,但是有可能会在激发之前将金属熔化。我们将致力于将这套系统的应用面推广,并将这个公式推出更一般化的结论。”