Rozluštění 140 let starého tajemství ve fyzice

Překlad článku od autorů z IBM Research.

Důležitý průlom ve fyzice nám umožní studovat fyzikální vlastnosti polovodičů mnohem podrobněji. To může pomoci urychlit vývoj polovodičové technologie nové generace.

Autoři:
Oki Gunawan — Zaměstnanec, IBM Research
Doug Bishop - Charakterizační inženýr, IBM Research

Polovodiče jsou základními stavebními kameny dnešního digitálního elektronického věku a poskytují nám řadu zařízení, která prospívají našemu modernímu životu, jako jsou počítače, chytré telefony a další mobilní zařízení. Zlepšení funkčnosti a výkonu polovodičů také umožňuje polovodičové aplikace nové generace v oblasti výpočetní techniky, snímání a přeměny energie. Výzkumníci se dlouho snažili překonat omezení v naší schopnosti plně porozumět elektronickým nábojům uvnitř polovodičových zařízení a pokročilých polovodičových materiálech, které brzdí naši schopnost posunout se vpřed.

V nové studii v časopise Příroda Výzkumná spolupráce vedená IBM Research popisuje vzrušující průlom v řešení 140 let staré záhady ve fyzice, která nám umožní studovat fyzikální vlastnosti polovodičů mnohem podrobněji a umožní vývoj nových a vylepšených polovodičových materiálů.

Abychom skutečně porozuměli fyzice polovodičů, musíme nejprve porozumět základním vlastnostem nosičů náboje v materiálech, ať už jsou to negativní nebo pozitivní částice, jejich rychlosti v aplikovaném elektrickém poli a jak hustě jsou v materiálu zabaleny. Fyzik Edwin Hall našel způsob, jak určit tyto vlastnosti v roce 1879, když zjistil, že magnetické pole vychyluje pohyb elektronových nábojů ve vodiči a že velikost vychýlení lze měřit jako rozdíl potenciálů kolmý na směrový tok náboje. částice, jak je znázorněno na obrázku 1a. Toto napětí, známé jako Hallovo napětí, odhaluje významné informace o nosičích náboje v polovodiči, včetně toho, zda se jedná o záporné elektrony nebo kladné kvazičástice zvané „díry“, jak rychle se pohybují v elektrickém poli nebo jejich „mobilitu“ (µ ), a jejich koncentraci (n) uvnitř polovodiče.

140 let stará záhada

Desetiletí po Hallově objevu výzkumníci také zjistili, že mohou provádět měření Hallova jevu pomocí světla – experimenty nazývané photo-Hall, viz obrázek 1b. V takových experimentech světelné osvětlení generuje více nosičů nebo párů elektron-díra v polovodičích. Bohužel naše pochopení základního Hallova jevu poskytlo náhled pouze na většinu (nebo většinu) nosičů náboje. Výzkumníci nebyli schopni extrahovat parametry z obou médií (hlavních i méně významných) současně. Tyto informace jsou klíčové pro mnoho aplikací souvisejících se světlem, jako jsou solární panely a další optoelektronická zařízení.

Studie časopisu IBM Research Příroda odhaluje jedno z dlouho střežených tajemství Hallova efektu. Výzkumníci z Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Duke University a IBM objevili nový vzorec a techniku, která nám umožňuje simultánně extrahovat informace o základním i nezákladném nosiče, jako je jejich koncentrace a pohyblivost, a také získat další informace o životnosti nosiče, délce difúze a procesu rekombinace.

Přesněji řečeno, ve foto-Hallově experimentu oba nosiče přispívají ke změnám vodivosti (σ) a Hallova koeficientu (H, úměrný poměru Hallova napětí k magnetickému poli). Klíčové poznatky pocházejí z měření vodivosti a Hallova koeficientu jako funkce intenzity světla. Skrytá ve tvaru křivky vodivost-Hallův koeficient (σ-H) ukazuje zásadně novou informaci: rozdíl v pohyblivosti obou nosičů. Jak je uvedeno v článku, tento vztah lze elegantně vyjádřit:

$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$

Počínaje známou hustotou většinového nosiče z tradičního Hallova měření ve tmě můžeme odhalit mobilitu a hustotu většinového i menšinového nosiče jako funkci intenzity světla. Tým pojmenoval novou metodu měření: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Při známé intenzitě osvětlení lze životnost nosiče stanovit obdobným způsobem. Toto spojení a jeho řešení byly skryty téměř půldruhého století od objevení Hallova jevu.

Kromě pokroku v tomto teoretickém chápání jsou pro umožnění této nové metody rozhodující také pokroky v experimentálních metodách. Metoda vyžaduje čisté měření Hallova signálu, což může být obtížné u materiálů, kde je Hallův signál slabý (například kvůli nízké pohyblivosti) nebo když jsou přítomny další nežádoucí signály, jako je silné ozáření světlem. K tomu je nutné provést Hallovo měření pomocí oscilačního magnetického pole. Stejně jako při poslechu rádia je potřeba zvolit frekvenci požadované stanice a všechny ostatní frekvence, které působí jako šum, vyřadit. Metoda CRPH jde ještě o krok dále a vybírá nejen požadovanou frekvenci, ale také fázi oscilačního magnetického pole pomocí metody zvané synchronní snímání. Tento koncept oscilačního Hallova měření je již dlouho znám, ale tradiční způsob použití systému elektromagnetických cívek pro generování oscilačního magnetického pole byl neúčinný.

Předchozí objev

Jak se ve vědě často stává, pokroky v jedné oblasti jsou poháněny objevy v jiné. V roce 2015 oznámil IBM Research dříve neznámý jev ve fyzice spojený s novým efektem omezení magnetického pole nazývaným efekt „velbloudího hrbu“, ke kterému dochází mezi dvěma liniemi příčných dipólů, když překročí kritickou délku, jak je znázorněno na obrázku 2a. Tento efekt je klíčovou vlastností, která umožňuje nový typ přirozené magnetické pasti nazývané paralelní dipólová past (PDL past), jak je znázorněno na obrázku 2b. Magnetická PDL past může být použita jako nová platforma pro různé aplikace snímání, jako je tiltmeter, seismometr (senzor zemětřesení). Takové nové senzorové systémy ve spojení s technologiemi velkých dat by mohly otevřít mnoho nových aplikací a jsou zkoumány týmem IBM Research, který vyvíjí platformu pro analýzu velkých dat s názvem IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), která obsahuje velké množství geoprostorových a data internetu věcí (IoT).

Stejný prvek PDL má překvapivě další unikátní aplikaci. Když se otočí, slouží jako ideální foto-Hallův experimentální systém pro získání jednosměrné a čisté harmonické oscilace magnetického pole (obrázek 2c). Ještě důležitější je, že systém poskytuje dostatek prostoru pro osvětlení široké oblasti vzorku, což je kritické při experimentech ve fotosíni.

Účinek

Nová metoda fotosál, kterou jsme vyvinuli, nám umožňuje extrahovat úžasné množství informací z polovodičů. Na rozdíl od pouhých tří parametrů získaných klasickým Hallovým měřením poskytuje tato nová metoda až sedm parametrů při každé z testovaných intenzit světla. To zahrnuje pohyblivost elektronů i děr; koncentrace jejich nosiče pod vlivem světla; životnost rekombinace; a difúzní délka pro elektrony, díry a ambipolární typy. To vše lze N-krát opakovat (tj. počet parametrů intenzity světla použitých v experimentu).

Tento nový objev a technologie pomůže posunout pokrok v oblasti polovodičů ve stávajících i nově vznikajících technologiích. Nyní máme znalosti a nástroje potřebné k extrakci fyzikálních charakteristik polovodičových materiálů do velkých podrobností. Pomůže například urychlit vývoj polovodičové technologie nové generace, jako jsou lepší solární panely, lepší optoelektronická zařízení a nové materiály a zařízení pro technologie umělé inteligence.

Původní článek zveřejněný 7. října 2019 v Blog IBM Research.
Překlad: Nikolaj Marin (NikolayMarin), technologický ředitel IBM v Rusku a zemích SNS.

Zdroj: www.habr.com