کشف راز 140 ساله در فیزیک

ترجمه مقاله توسط نویسندگان IBM Research.

یک پیشرفت مهم در فیزیک به ما امکان می دهد تا ویژگی های فیزیکی نیمه هادی ها را با جزئیات بسیار بیشتری مطالعه کنیم. این ممکن است به تسریع توسعه نسل بعدی فناوری نیمه هادی کمک کند.

نویسنده:
اوکی گوناوان - عضو کارکنان، تحقیقات IBM
داگ بیشاپ - مهندس شخصیت شناسی، تحقیقات IBM

نیمه هادی ها بلوک های اساسی عصر الکترونیک دیجیتال امروزی هستند و دستگاه های مختلفی را در اختیار ما قرار می دهند که برای زندگی مدرن ما مفید هستند، مانند رایانه ها، تلفن های هوشمند و سایر دستگاه های تلفن همراه. بهبود عملکرد و عملکرد نیمه هادی ها همچنین کاربردهای نیمه هادی نسل بعدی را در محاسبات، سنجش و تبدیل انرژی ممکن می سازد. محققان مدت‌هاست که برای غلبه بر محدودیت‌های توانایی ما برای درک کامل بارهای الکترونیکی درون دستگاه‌های نیمه‌رسانا و مواد نیمه‌رسانای پیشرفته که توانایی ما را برای حرکت به جلو باز می‌دارند، تلاش کرده‌اند.

در یک مطالعه جدید در مجله طبیعت یک همکاری تحقیقاتی به رهبری IBM Research یک پیشرفت هیجان انگیز را در حل یک معمای 140 ساله در فیزیک توصیف می کند، رمزی که به ما امکان می دهد ویژگی های فیزیکی نیمه هادی ها را با جزئیات بسیار بیشتری مطالعه کنیم و امکان توسعه مواد نیمه هادی جدید و بهبود یافته را فراهم کنیم.

برای درک واقعی فیزیک نیمه هادی ها، ابتدا باید خواص اساسی حامل های بار درون مواد، ذرات منفی یا مثبت بودن آنها، سرعت آنها در میدان الکتریکی اعمال شده و چگالی چگالی آنها در داخل مواد را درک کنیم. فیزیکدان ادوین هال در سال 1879 راهی برای تعیین این ویژگی‌ها پیدا کرد، وقتی کشف کرد که میدان مغناطیسی حرکت بارهای الکترون را در یک رسانا منحرف می‌کند و میزان انحراف را می‌توان به صورت اختلاف پتانسیل عمود بر جریان جهتی بار اندازه‌گیری کرد. ذرات، همانطور که در شکل 1a نشان داده شده است. این ولتاژ که به ولتاژ هال معروف است، اطلاعات قابل توجهی را در مورد حامل های بار در نیمه هادی نشان می دهد، از جمله اینکه آیا آنها الکترون های منفی هستند یا شبه ذرات مثبت به نام "سوراخ"، سرعت حرکت آنها در یک میدان الکتریکی یا "تحرک" آنها (μ. ) و غلظت آنها (n) در داخل نیمه هادی.

راز 140 ساله

دهه‌ها پس از کشف هال، محققان همچنین دریافتند که می‌توانند اثر هال را با نور اندازه‌گیری کنند - آزمایش‌هایی به نام Photo-Hall، به شکل 1b مراجعه کنید. در چنین آزمایش‌هایی، روشنایی نور چندین حامل یا جفت الکترون-حفره را در نیمه‌رساناها ایجاد می‌کند. متأسفانه، درک ما از اثر اساسی هال، بینشی را در مورد اکثریت (یا اکثریت) حامل های شارژ ارائه کرده است. محققان نتوانستند پارامترها را از هر دو رسانه (مهم و غیر اصلی) به طور همزمان استخراج کنند. چنین اطلاعاتی برای بسیاری از کاربردهای مرتبط با نور، مانند پنل‌های خورشیدی و سایر دستگاه‌های الکترونیک نوری، کلیدی است.

مطالعه مجله IBM Research طبیعت یکی از رازهای طولانی مدت اثر هال را آشکار می کند. محققان مؤسسه علوم و فناوری پیشرفته کره (KAIST)، مؤسسه تحقیقات فناوری شیمیایی کره (KRICT)، دانشگاه دوک و IBM فرمول و تکنیک جدیدی را کشف کرده اند که به ما امکان می دهد به طور همزمان اطلاعاتی در مورد پایه و غیر اساسی استخراج کنیم. حامل ها، مانند غلظت و تحرک آنها، و همچنین به دست آوردن اطلاعات اضافی در مورد طول عمر حامل، طول انتشار و فرآیند نوترکیب.

به طور خاص، در آزمایش فوتو هال، هر دو حامل به تغییرات در رسانایی (σ) و ضریب هال (H، متناسب با نسبت ولتاژ هال به میدان مغناطیسی) کمک می کنند. بینش های کلیدی از اندازه گیری هدایت و ضریب هال به عنوان تابعی از شدت نور حاصل می شود. پنهان در شکل منحنی ضریب هدایت-هال (σ-H) اطلاعات اساساً جدیدی را نشان می دهد: تفاوت در تحرک هر دو حامل. همانطور که در مقاله بحث شد، این رابطه را می توان به زیبایی بیان کرد:

$$نمایش$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$نمایش$$

با شروع با تراکم حامل اکثریت شناخته شده از اندازه گیری سنتی هال در تاریکی، می توانیم تحرک و چگالی حامل اکثریت و اقلیت را به عنوان تابعی از شدت نور آشکار کنیم. این تیم روش جدید اندازه گیری را: سالن عکس با حل و فصل حامل (CRPH) نامگذاری کرد. با شدت روشنایی مشخص، طول عمر حامل را می توان به روشی مشابه تعیین کرد. این ارتباط و راه حل های آن تقریباً یک قرن و نیم از زمان کشف اثر هال پنهان مانده است.

جدای از پیشرفت در این درک نظری، پیشرفت در روش های تجربی نیز برای فعال کردن این روش جدید حیاتی است. این روش به اندازه گیری خالص سیگنال هال نیاز دارد، که می تواند برای موادی که سیگنال هال ضعیف است (مثلاً به دلیل تحرک کم) یا هنگامی که سیگنال های ناخواسته اضافی وجود دارد، مانند تابش نور قوی، دشوار باشد. برای این کار لازم است اندازه گیری هال با استفاده از میدان مغناطیسی نوسانی انجام شود. درست مانند زمانی که به رادیو گوش می دهید، باید فرکانس ایستگاه مورد نظر را انتخاب کنید و تمام فرکانس های دیگری را که به عنوان نویز عمل می کنند کنار بگذارید. روش CRPH یک قدم جلوتر می رود و نه تنها فرکانس مورد نظر، بلکه فاز میدان مغناطیسی نوسانی را با استفاده از روشی به نام سنجش سنکرون انتخاب می کند. این مفهوم اندازه گیری هال نوسانی مدت هاست شناخته شده است، اما روش سنتی استفاده از سیستم سیم پیچ های الکترومغناطیسی برای تولید یک میدان مغناطیسی نوسانی بی اثر بود.

کشف قبلی

همانطور که اغلب در علم اتفاق می افتد، پیشرفت در یک زمینه توسط اکتشافات در دیگری انجام می شود. در سال 2015، تحقیقات IBM یک پدیده ناشناخته قبلاً در فیزیک را گزارش کرد که با یک اثر محدود شدن میدان مغناطیسی جدید به نام اثر "شتر کوهان" مرتبط است، که بین دو خط دوقطبی عرضی هنگامی که از طول بحرانی تجاوز می کنند، رخ می دهد، همانطور که در شکل 2a نشان داده شده است. این اثر یک ویژگی کلیدی است که نوع جدیدی از تله مغناطیسی طبیعی به نام تله خط دوقطبی موازی (تله PDL) را فعال می کند، همانطور که در شکل 2b نشان داده شده است. تله مغناطیسی PDL را می توان به عنوان یک پلت فرم جدید برای انواع کاربردهای سنجش مانند شیب سنج، لرزه سنج (سنسور زلزله) استفاده کرد. چنین سیستم‌های حسگر جدیدی، همراه با فناوری‌های کلان داده، می‌توانند برنامه‌های کاربردی جدیدی را باز کنند و توسط تیم تحقیقاتی IBM در حال توسعه یک پلتفرم تجزیه و تحلیل داده‌های بزرگ به نام IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS) هستند که حاوی انبوهی از فضاهای مکانی است. و داده های اینترنت اشیا (IoT).

با کمال تعجب، همان عنصر PDL کاربرد منحصر به فرد دیگری نیز دارد. هنگامی که می چرخد، به عنوان یک سیستم آزمایشی عکس هال ایده آل برای به دست آوردن یک نوسان هارمونیک یک طرفه و خالص میدان مغناطیسی عمل می کند (شکل 2c). مهمتر از آن، این سیستم فضای کافی را فراهم می کند تا امکان روشنایی یک منطقه وسیع از نمونه را فراهم کند، که در آزمایش های Photo-Hall بسیار مهم است.

ضربه

روش جدیدی که ما توسعه داده ایم به ما امکان می دهد تا حجم شگفت انگیزی از اطلاعات را از نیمه هادی ها استخراج کنیم. برخلاف تنها سه پارامتر به‌دست‌آمده در اندازه‌گیری کلاسیک هال، این روش جدید تا هفت پارامتر را در هر یک از شدت‌های نور مورد آزمایش قرار می‌دهد. این شامل تحرک هر دو الکترون و حفره است. غلظت حامل آنها تحت تأثیر نور؛ طول عمر نوترکیبی؛ و طول انتشار برای الکترون ها، حفره ها و انواع دوقطبی. همه اینها را می توان N بار تکرار کرد (یعنی تعداد پارامترهای شدت نور مورد استفاده در آزمایش).

این کشف و فناوری جدید به پیشرفت پیشرفت های نیمه هادی در فناوری های موجود و در حال ظهور کمک می کند. ما اکنون دانش و ابزارهای مورد نیاز برای استخراج مشخصات فیزیکی مواد نیمه هادی را با جزئیات زیاد در اختیار داریم. به عنوان مثال، به سرعت بخشیدن به توسعه نسل بعدی فناوری نیمه هادی، مانند پانل های خورشیدی بهتر، دستگاه های الکترونیک نوری بهتر، و مواد و دستگاه های جدید برای فناوری های هوش مصنوعی کمک می کند.

اصلی مقاله منتشر شده در 7 اکتبر 2019 در وبلاگ تحقیقاتی آی بی ام.
ترجمه: نیکولای مارین (نیکولای مارین)، مدیر ارشد فناوری IBM در روسیه و کشورهای CIS.

منبع: www.habr.com