Пераклад артыкула аўтараў з IBM Research.
Важны прарыў у фізіцы дасць магчымасць вывучыць фізічныя характарыстыкі паўправаднікоў у значна большых падрабязнасцях. Магчыма, гэта дапаможа паскорыць развіццё паўправадніковай тэхналогіі наступнага пакалення.
аўтары:
– Staff Member, IBM Research
Doug Bishop – Characterization Engineer, IBM Research
Паўправаднікі з'яўляюцца асноўнымі будаўнічымі блокамі сённяшняга лічбавага, электроннага стагоддзя, забяспечваючы для нас разнастайнасць прылад, якія прыносяць карысць у наша сучаснае жыццё, такіх як кампутар, смартфоны і іншыя мабільныя прылады. Паляпшэнні ў функцыянальнасці і прадукцыйнасці паўправаднікоў дазваляюць таксама забяспечваць ужыванні наступнага пакалення паўправаднікоў для вылічэнняў, распазнанняў і пераўтварэнняў энергіі. Даследчыкі ўжо доўга змагаюцца над пераадоленнем абмежаванняў нашай здольнасці поўнасцю зразумець электронныя зарады ўнутры паўправадніковых прылад і прасунутых паўправадніковых матэрыялаў, якія стрымліваюць нашу магчымасць далей рухацца наперад.
У новым даследаванні ў часопісе навукова-даследчае суаўтарства, узначаленае IBM Research, апісвае захапляльны прарыў у расчыненні 140-летняй таямніцы ў фізіцы, той, якая дазволіць нам вывучыць фізічныя характарыстыкі паўправаднікоў у значна вялікіх падрабязнасцях і забяспечыць развіццё новых палепшаных паўправадніковых матэрыялаў.
Каб сапраўды зразумець фізіку паўправаднікоў, мы павінны спачатку спазнаць фундаментальныя ўласцівасці носьбітаў зарада ўсярэдзіне матэрыялаў, ці адмоўныя гэта часціцы ці дадатныя, іх хуткасць у прыкладзеным электрычным полі і наколькі шчыльна яны спакаваныя ў матэрыяле. Фізік Эдвін Хол знайшоў спосаб вызначаць гэтыя ўласцівасці ў 1879 году, калі ён выявіў, што магнітнае поле адхіліць рух электронных зарадаў усярэдзіне правадыра, і што велічыня адхіленні можа быць вымераная як розніца патэнцыялаў перпендыкулярная да накіраванага струменя зараджаных часціц, як паказана на малюнку Figure 1a. Гэтая напруга, вядомая як холаўская напруга, адчыняе значную інфармацыю аб носьбітах зарада ў паўправадніку, уключаючы ці з'яўляюцца яны адмоўнымі электронамі ці дадатнымі квазічасціцамі, званымі "дзіркамі", на колькі хутка яны рухаюцца ў электрычным полі, ці іх "рухомасць" (µ) , І іх канцэнтрацыю (n) ўнутры паўправадніка.
140-гадовая таямніца
Праз дзесяцігоддзі пасля адкрыцця Хола даследчыкі таксама выявілі, што яны могуць вырабляць вымярэння эфекту Хола са святлом - эксперыменты, званыя фота-Хол, гл. малюнак Figure 1b. У падобных эксперыментах светлавое асвятленне генеруе множныя носьбіты ці пары электрон-дзіркі ў паўправадніках. Нажаль, наша разуменне асноўнага эфекту Хола забяспечвала зразуменне толькі асноўных носьбітаў зарада (ці носьбітаў большасці). Даследнікі былі няздольныя атрымаць параметры абодвух носьбітаў (асноўнага і неасноўнага) адначасова. Падобная інфармацыя з'яўляецца ключавой для многіх прыкладанняў, якія маюць дачыненне да святла, такіх як сонечныя панэлі і іншыя оптаэлектронныя прылады.
Даследаванне IBM Research у часопісе раскрывае адзін з доўга захоўваемых сакрэтаў эфекту Хола. Даследнікі з Карэйскага інстытута перадавых тэхналогій (Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST), Карэйскага даследчага інстытута хімічных тэхналогій (Korea Research Institute of Chemical Technology, KRICT), Дзюкскі ўніверсітэт (Duke University), і IBM выявілі новую формулу і тэхніку, дазваляе нам адначасова здабываць інфармацыю аб асноўным і неасноным носьбіце, такую як іх канцэнтрацыя і рухомасць, роўна як і атрымаць дадатковыя звесткі аб працягласці існавання носьбіта, дыфузійнай даўжыні і працэсе рэкамбінацыі.
Канкрэтней, у эксперыменце фота-Хол абодва носьбіта спрыяюць зменам у праводнасці (σ) і каэфіцыенце Хола (H, прапарцыйным суадносінах напругі Хола да магнітнага поля). Ключавое разуменне прыходзіць ад вымярэння праводнасці і каэфіцыента Хола як функцыі ад інтэнсіўнасці святла. Схаваная ў форме крывой праводнасць-каэфіцыент Хола (σ-H) паказвае прынцыпова новую інфармацыю: розніцу ў рухомасці абодвух носьбітаў. Як абмяркоўваецца ў артыкуле, гэтая сувязь можа быць выказана элегантна:
$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$
Пачынаючы з вядомай шчыльнасці носьбітаў большасці з традыцыйнага вымярэння Хола ў цемры, мы можам расчыніць як для большасці, так і для меншасці рухомасць і шчыльнасць носьбітаў як функцыю ад інтэнсіўнасці святла. Каманда назвала новы вымяральны метад: дазволены носьбітам фота-Хол (Carrier-Resolved Photo Hall, CRPH). Пры вядомай інтэнсіўнасці светлавога асвятлення тэрмін існавання носьбіта можа быць усталяваны аналагічнай выявай. Гэтая сувязь і звязаныя з ёй рашэнні былі схаваныя на працягу амаль паўтара стагоддзя, з моманту адкрыцця эфекту Хола.
Апроч дасягненняў у гэтым тэарэтычным разуменні, дасягненні ў эксперыментальных метадах таксама маюць вырашальнае значэнне для забеспячэння гэтага новага метаду. Метад патрабуе чыстага вымярэння сігналу Хола, якое можа быць абцяжарана для матэрыялаў дзе сігнал Хола слабы (напрыклад, з прычыны нізкай рухомасці) або калі прысутнічаюць дадатковыя непажаданыя сігналы, як пры моцным светлавым апрамяненні. Для гэтага неабходна выканаць вымярэнне Хола з дапамогай магнітнага поля, якое вагаецца. Як і пры праслухоўванні радыё, неабходна абраць частату патрабаванай станцыі, адкідаючы ўсе іншыя частоты, якія дзейнічаюць як шум. Метад CRPH ідзе на крок наперад, і выбірае не толькі жаданую частату, але таксама і фазу магнітнага поля, якое вагаецца па метадзе, званаму сінхроннае вызначэнне. Гэтая канцэпцыя вагальнага вымярэння Хола (oscillating Hall measurement) была даўно вядомая, але традыцыйны метад з выкарыстаннем сістэмы электрамагнітных шпулек, каб згенераваць вагальнае магнітнае поле быў неэфектыўны.
Папярэдняе адкрыццё
Як часта здараецца ў навуцы, прасоўванні ў адной вобласці выкліканы адкрыццямі ў іншай. У 2015 годзе IBM Research паведаміў аб раней невядомым феномене ў фізіцы, звязаным з новым эфектам заключэння магнітнага поля, названым эфект "вярблюджага гарба", якое адбываецца паміж двума лініямі папярочных дыполяў, калі яны перавышаюць крытычную даўжыню, як паказана на малюнку Figure 2a. Эфект з'яўляецца ключавой асаблівасцю, якая забяспечвае новы тып натуральнай магнітнай пасткі, званай пасткай раўналежнага дыполя (parallel dipole line trap, PDL trap), як паказана на малюнку Figure 2b. Магнітная PDL-пастка можа выкарыстоўвацца ў якасці найноўшай платформы для разнастайных сэнсарных прыкладанняў, такіх як наклонометр, сейсмометр (датчык землятрусаў). Падобныя новыя сістэмы датчыкаў разам з тэхналогіямі вялікіх дадзеных могуць адкрыць мноства новых прыкладанняў, і вывучаюцца камандай IBM Research, якая распрацоўвае платформу аналітыкі вялікіх дадзеных пад назовам IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), якая ўтрымоўвае мноства геопространственных дадзеных і дадзеных інтэрнэту рэчаў Internet of Things (IoT).
Дзіўнай выявай, той жа самы PDL-элемент мае і іншае ўнікальнае ўжыванне. Калі круціцца, ён служыць ідэальнай сістэмай для фота-Хол эксперыменту, каб атрымліваць аднанакіраванае і чыстае гарманічнае ваганне магнітнага поля (малюнак Figure 2c). Важней тое, што сістэма дае дастаткова прасторы, каб дазволіць асвятленне шырокага раёна ўзору, што крытычна ў эксперыментах фота-Хола.
Уплыў
Распрацаваны новы метад для фота-Хола дазваляе нам здабываць дзіўны аб'ём інфармацыі з паўправаднікоў. У адрозненне ад толькі трох параметраў, якія атрымліваюцца ў класічным Холаўскім вымярэнні, гэты новы метад прыносіць да сямі параметраў на кожнай з апрабаваных інтэнсіўнасцяў святла. Гэта ўключае ў сябе рухомасць як электронаў, так і дзірак; канцэнтрацыю іх носьбіта пад уздзеяннем святла; час жыцця рэкамбінацыі; і даўжыню дыфузіі для электронаў, дзірак і амбіпалярнага тыпу. Усё гэта можа быць паўторана N разоў (г.зн. колькасць параметраў інтэнсіўнасці святла, выкарыстоўванае ў эксперыменце).
Гэта новае адкрыццё і тэхналогія дапамогуць прасунуць паўправадніковыя дасягненні як у існуючых, так і ў тэхналогіях, якія зараджаюцца. У нас зараз ёсць веды і інструменты, неабходныя для вымання фізічных характарыстык паўправадніковых матэрыялаў з вялікай дэталізацыяй. Напрыклад, гэта дапаможа паскорыць развіццё паўправадніковай тэхналогіі наступнага пакалення, такіх як лепшыя сонечныя панэлі, лепшыя оптаэлектронныя прыборы і новыя матэрыялы і прылады для тэхналогій штучнага інтэлекту.
артыкулы апублікаваны 7-га кастрычніка 2019 года ў .
Пераклад на беларускую: Мікалай Марын (), Chief Technology Officer IBM у Расіі і краінах СНД.
Крыніца: habr.com