{"id":38844,"date":"2019-10-31T22:26:19","date_gmt":"2019-10-31T19:26:19","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/raskryvaya-140-letnij-sekret-v-fizike\/"},"modified":"2019-10-31T22:26:19","modified_gmt":"2019-10-31T19:26:19","slug":"raskryvaya-140-letnij-sekret-v-fizike","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/de\/blog\/novosti-interneta\/raskryvaya-140-letnij-sekret-v-fizike","title":{"rendered":"Ein 140-j\u00e4hriges Geheimnis in der Physik enth\u00fcllen","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

\u00dcbersetzung eines Artikels von IBM Research.<\/p>\n

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Ein wichtiger Durchbruch in der Physik wird es erm\u00f6glichen, die physikalischen Eigenschaften von Halbleitern viel detaillierter zu untersuchen. Dies k\u00f6nnte die Entwicklung der n\u00e4chsten Generation von Halbleitertechnologien beschleunigen.<\/em><\/p>\n

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\"Ein<\/p>\n

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Autoren:
\nOki Gunawan<\/a><\/noindex> \u2014 Mitarbeiter, IBM Research
\nDoug Bishop \u2014 Charakterisierungsingenieur, IBM Research<\/p>\n

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Halbleiter sind die grundlegenden Bausteine unserer digitalen, elektronischen \u00c4ra und bieten uns eine Vielzahl von Ger\u00e4ten, die unser modernes Leben bereichern, wie Computer, Smartphones und andere mobile Ger\u00e4te. Verbesserungen in der Funktionalit\u00e4t und Leistung von Halbleitern erm\u00f6glichen auch die Anwendungen der n\u00e4chsten Generation f\u00fcr Berechnungen, Erkennung und Energiewandlung. Forscher arbeiten schon lange daran, die Grenzen unseres Verst\u00e4ndnisses der elektrischen Ladungen in Halbleiterger\u00e4ten und fortschrittlichen Halbleitermaterialien zu \u00fcberwinden, die unsere F\u00e4higkeit behindern, weiter voranzukommen.<\/p>\n

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In einer neuen Studie im Journal Nature<\/a><\/noindex> Die von IBM Research geleitete wissenschaftliche Zusammenarbeit beschreibt einen aufregenden Durchbruch bei der Entschl\u00fcsselung eines 140-j\u00e4hrigen Geheimnisses in der Physik, das es uns erm\u00f6glichen wird, die physikalischen Eigenschaften von Halbleitern viel detaillierter zu untersuchen und die Entwicklung neuer verbesserter Halbleitermaterialien voranzutreiben.<\/p>\n

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Um die Physik der Halbleiter wirklich zu verstehen, m\u00fcssen wir zun\u00e4chst die grundlegenden Eigenschaften der Ladungstr\u00e4ger in den Materialien erkennen, ob es sich um negative oder positive Teilchen handelt, ihre Geschwindigkeit im angelegten elektrischen Feld und wie dicht sie im Material gepackt sind. Der Physiker Edwin Hall fand 1879 einen Weg, diese Eigenschaften zu bestimmen, als er entdeckte, dass ein Magnetfeld die Bewegung von Elektronenladungen in einem Leiter ablenkt und dass die Ablenkung als Spannungsdifferenz gemessen werden kann, die senkrecht zur Richtung des Stroms von geladenen Teilchen verl\u00e4uft, wie in Abbildung Figure 1a gezeigt. Diese Spannung, bekannt als Hall-Spannung, offenbart bedeutende Informationen \u00fcber die Ladungstr\u00e4ger in einem Halbleiter, einschlie\u00dflich ob sie negative Elektronen oder positive Quasiteilchen, die \u201eL\u00f6cher\u201c genannt werden, sind, wie schnell sie sich im elektrischen Feld bewegen oder ihre \u201eMobilit\u00e4t\u201c (\u00b5) und ihre Konzentration (n) im Halbleiter.<\/p>\n

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\"Ein<\/p>\n

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140-j\u00e4hrige Geheimnis<\/h4>\n

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Jahrzehnte nach der Entdeckung des Hall-Effekts fanden Forscher auch heraus, dass sie Messungen des Hall-Effekts mit Licht durchf\u00fchren k\u00f6nnen \u2013 Experimente, die als Photo-Hall bezeichnet werden, siehe Abbildung Figure 1b. In solchen Experimenten erzeugt die Lichtbeleuchtung zahlreiche Tr\u00e4ger oder Elektron-Loch-Paare in Halbleitern. Leider erm\u00f6glichte unser Verst\u00e4ndnis des grundlegenden Hall-Effekts nur das Erfassen der prim\u00e4ren Ladungstr\u00e4ger (oder der Mehrheitstr\u00e4ger). Die Forscher waren nicht in der Lage, die Parameter beider Tr\u00e4ger (prim\u00e4r und sekund\u00e4r) gleichzeitig zu extrahieren. Solche Informationen sind entscheidend f\u00fcr viele lichtbezogene Anwendungen, wie z.B. Solarzellen und andere optoelektronische Ger\u00e4te.<\/p>\n

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Studie von IBM Research im Journal Nature<\/a><\/noindex> enth\u00fcllt eines der langgehegten Geheimnisse des Hall-Effekts. Forscher des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), des Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), der Duke University und von IBM haben eine neue Formel und Technik entdeckt, die es uns erm\u00f6glicht, gleichzeitig Informationen \u00fcber den prim\u00e4ren und sekund\u00e4ren Tr\u00e4ger, wie deren Konzentration und Beweglichkeit, sowie zus\u00e4tzliche Hinweise zur Lebensdauer des Tr\u00e4gers, der Diffusionsl\u00e4nge und dem Rekombinationsprozess zu gewinnen.<\/p>\n

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Genauer gesagt, im Experiment des Photo-Hall-Effekts beeinflussen beide Tr\u00e4gersorten die Leitf\u00e4higkeit (\u03c3) und den Hall-Koeffizienten (H, der im Verh\u00e4ltnis zwischen der Hall-Spannung und dem Magnetfeld steht). Das Schl\u00fcsselverst\u00e4ndnis ergibt sich aus der Messung der Leitf\u00e4higkeit und des Hall-Koeffizienten in Abh\u00e4ngigkeit von der Lichtintensit\u00e4t. Das in der Form der Leitf\u00e4higkeits-Hall-Koeffizienten-Kurve (\u03c3-H) verborgene Wissen zeigt prinzipiell neue Informationen: den Unterschied in der Beweglichkeit beider Tr\u00e4gersorten. Wie im Artikel diskutiert, kann dieser Zusammenhang elegant ausgedr\u00fcckt werden: <\/p>\n

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$$display$$ \u0394\u00b5 = d (\u03c3\u00b2H)\/d\u03c3$$display$$<\/p>\n

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Ausgehend von der bekannten Tr\u00e4gerdichte der Mehrheit aus der traditionellen Hall-Messung im Dunkeln, k\u00f6nnen wir die Beweglichkeit und Dichte sowohl f\u00fcr die Mehrheit als auch f\u00fcr die Minderheit als Funktion der Lichtintensit\u00e4t ermitteln. Das Team nannte die neue Messmethode: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Bei bekannter Lichtintensit\u00e4t kann die Lebensdauer des Tr\u00e4gers ebenfalls auf \u00e4hnliche Weise bestimmt werden. Dieser Zusammenhang und die damit verbundenen L\u00f6sungen blieben fast anderthalb Jahrhunderte verborgen, seit der Entdeckung des Hall-Effekts.<\/p>\n

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Neben den Fortschritten im theoretischen Verst\u00e4ndnis sind auch Errungenschaften in den experimentellen Methoden entscheidend f\u00fcr die Umsetzung dieses neuen Verfahrens. Die Methode erfordert eine pr\u00e4zise Messung des Hall-Signals, die erschwert sein kann bei Materialien, in denen das Hall-Signal schwach ist (zum Beispiel aufgrund geringer Mobilit\u00e4t) oder wenn unerw\u00fcnschte Zusatzsignale vorhanden sind, wie bei starker Lichtbestrahlung. Dazu muss die Hall-Messung mit einem oszillierenden Magnetfeld durchgef\u00fchrt werden. \u00c4hnlich wie beim Radioh\u00f6ren ist es notwendig, die Frequenz der gew\u00fcnschten Station auszuw\u00e4hlen und alle anderen Frequenzen, die als Rauschen wirken, auszublenden. Das CRPH-Verfahren geht einen Schritt weiter und w\u00e4hlt nicht nur die gew\u00fcnschte Frequenz, sondern auch die Phase des oszillierenden Magnetfelds nach einer Methode namens synchrone Bestimmung. Konzeptionell ist die Messung des oszillierenden Hall-Effekts schon lange bekannt, jedoch war die traditionelle Methode, die ein System von elektromagnetischen Spulen zur Generierung eines oszillierenden Magnetfeldes verwendet, ineffizient.<\/p>\n

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\"Ein<\/p>\n

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Fr\u00fchere Entdeckung<\/h4>\n

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Wie oft in der Wissenschaft werden Fortschritte in einem Bereich durch Entdeckungen in einem anderen verursacht. Im Jahr 2015 berichtete IBM Research \u00fcber ein zuvor unbekanntes physikalisches Ph\u00e4nomen, das mit einem neuen Effekt des Einschlusses eines Magnetfeldes verbunden ist, bekannt als der \u201eKamelbuckel-Effekt\u201c. Dieser tritt zwischen zwei Linien querverlaufender Dipole auf, wenn sie eine kritische L\u00e4nge \u00fcberschreiten, wie in Abbildung Figure 2a dargestellt. Der Effekt ist ein Schl\u00fcsselelement, das einen neuen Typus von nat\u00fcrlicher magnetischer Falle erm\u00f6glicht, genannt parallele Dipolefallen (parallel dipole line trap, PDL trap), wie in Abbildung Figure 2b gezeigt. Die magnetische PDL-Falle kann als neueste Plattform f\u00fcr verschiedene Sensoranwendungen genutzt werden, wie etwa ein Neigungsmesser oder Seismometer (Erdsto\u00dfsensor). Solche neuen Sensorsysteme zusammen mit Big Data-Technologien k\u00f6nnten eine Vielzahl neuer Anwendungen er\u00f6ffnen und werden von IBM Research untersucht, das eine Plattform f\u00fcr die Analyse gro\u00dfer Datenmengen mit dem Namen IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS) entwickelt, die zahlreiche geospatiale Daten und Daten aus dem Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) enth\u00e4lt.<\/p>\n

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Erstaunlicherweise hat dasselbe PDL-Element eine weitere einzigartige Anwendung. Wenn es rotiert, dient es als ideale Einrichtung f\u00fcr das Hall-Effekt-Experiment, um eine gerichtete und reine harmonische Schwingung des Magnetfelds zu erzeugen (siehe Abbildung 2c). Noch wichtiger ist, dass das System gen\u00fcgend Platz bietet, um eine weite Fl\u00e4che des Probenbereichs auszuleuchten, was in Hall-Experimenten entscheidend ist.<\/p>\n

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Einfluss<\/h4>\n

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Die neu entwickelte Methode f\u00fcr den Hall-Effekt erm\u00f6glicht es uns, eine erstaunliche Menge an Informationen aus Halbleitern zu extrahieren. Im Gegensatz zu den nur drei Parametern, die bei klassischen Hall-Messungen gewonnen werden, liefert diese neue Methode bis zu sieben Parameter bei jeder getesteten Lichtintensit\u00e4t. Dazu geh\u00f6ren die Mobilit\u00e4t sowohl von Elektronen als auch von L\u00f6chern; deren Tr\u00e4gerkonzentration unter Lichteinfluss; die Rekombinationslebensdauer; und die Diffusionsl\u00e4nge f\u00fcr Elektronen, L\u00f6cher und bipolare Typen. All dies kann N-mal wiederholt werden (d.h. die Anzahl der Lichtintensit\u00e4tsparameter, die im Experiment verwendet werden). <\/p>\n

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Diese neue Entdeckung und Technologie werden dazu beitragen, die Fortschritte in der Halbleitertechnologie sowohl in bestehenden als auch in aufkommenden Technologien voranzutreiben. Wir verf\u00fcgen nun \u00fcber das Wissen und die Werkzeuge, um physikalische Eigenschaften von Halbleitermaterialien mit hoher Detailgenauigkeit zu extrahieren. Dies wird beispielsweise die Entwicklung der n\u00e4chsten Generation von Halbleitertechnologien beschleunigen, wie zum Beispiel bessere Solarzellen, hochwertigere optoelektronische Bauelemente sowie neue Materialien und Ger\u00e4te f\u00fcr K\u00fcnstliche Intelligenz-Technologien.<\/p>\n

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Original <\/a><\/noindex>Artikel ver\u00f6ffentlicht am 7. Oktober 2019 in dem IBM Research Blog<\/a><\/noindex>.
\n\u00dcbersetzung: Nikolai Marin<\/strong> (NikolayMarin<\/a><\/noindex>), Chief Technology Officer von IBM in Russland und den GUS-Staaten.<\/p>\n

Quelle: habr.com<\/a><\/p>","protected":false,"gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"html"}]},"excerpt":{"rendered":"

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