גילוי סוד בן 140 שנה בפיזיקה

תרגום מאמר מאת מחברים מ-IBM Research.

פריצת דרך חשובה בפיזיקה תאפשר לנו ללמוד את המאפיינים הפיזיקליים של מוליכים למחצה בפירוט רב יותר. זה עשוי לעזור להאיץ את הפיתוח של טכנולוגיית מוליכים למחצה מהדור הבא.

מחברים:
אוקי גונוואן - חבר צוות, IBM Research
דאג בישופ - מהנדס אפיון, IBM Research

מוליכים למחצה הם אבני הבניין הבסיסיות של העידן האלקטרוני הדיגיטלי של ימינו, ומספקים לנו מגוון מכשירים המועילים לחיינו המודרניים, כגון מחשבים, סמארטפונים ומכשירים ניידים אחרים. שיפורים בפונקציונליות ובביצועים של מוליכים למחצה מאפשרים גם יישומי מוליכים למחצה מהדור הבא במחשוב, חישה והמרת אנרגיה. חוקרים נאבקו זה מכבר כדי להתגבר על המגבלות ביכולת שלנו להבין היטב את המטענים האלקטרוניים בתוך התקני מוליכים למחצה וחומרי מוליכים למחצה מתקדמים המעכבים את היכולת שלנו להתקדם.

במחקר חדש בכתב העת טבע שיתוף פעולה מחקרי בראשות IBM Research מתאר פריצת דרך מרגשת בפתרון תעלומה בת 140 שנה בפיזיקה, כזו שתאפשר לנו ללמוד את המאפיינים הפיזיים של מוליכים למחצה בפירוט רב יותר ולאפשר פיתוח חומרים מוליכים למחצה חדשים ומשופרים.

כדי להבין באמת את הפיזיקה של מוליכים למחצה, עלינו להבין תחילה את המאפיינים הבסיסיים של נושאי מטען בתוך חומרים, בין אם הם חלקיקים שליליים או חיוביים, מהירותם בשדה חשמלי מיושם, ועד כמה בצפיפות הם ארוזים בתוך החומר. הפיזיקאי אדווין הול מצא דרך לקבוע תכונות אלו בשנת 1879 כאשר גילה ששדה מגנטי יסיט את תנועת מטעני האלקטרונים בתוך מוליך, וכי ניתן למדוד את כמות הסטייה כהפרש הפוטנציאל המאונך לזרימה הכיוונית של מטען. חלקיקים, כפי שמוצג באיור 1a. מתח זה, המכונה מתח הול, חושף מידע משמעותי על נושאי המטען במוליך למחצה, כולל האם הם אלקטרונים שליליים או קוואזי-חלקיקים חיוביים הנקראים "חורים", כמה מהר הם נעים בשדה חשמלי, או "הניידות" שלהם (µ ), והריכוז שלהם (n) בתוך המוליך למחצה.

תעלומה בת 140 שנה

עשרות שנים לאחר הגילוי של הול, החוקרים גילו גם שהם יכולים לבצע מדידות של אפקט הול עם אור - ניסויים הנקראים photo-Hall, ראה איור 1ב. בניסויים כאלה, תאורת האור יוצרת מספר נשאים, או זוגות אלקטרונים-חורים, במוליכים למחצה. למרבה הצער, ההבנה שלנו לגבי אפקט הול הבסיסי סיפקה תובנה רק לגבי רוב (או הרוב) נושאי התשלום. החוקרים לא הצליחו לחלץ פרמטרים משני המדיה (גדולים ולא מרכזיים) בו זמנית. מידע כזה הוא המפתח עבור יישומים רבים הקשורים לאור, כגון פאנלים סולאריים והתקנים אופטו-אלקטרוניים אחרים.

מחקר מגזין IBM Research טבע חושף את אחד הסודות השמורים של אפקט הול. חוקרים מהמכון המתקדם למדע וטכנולוגיה של קוריאה (KAIST), מכון המחקר של קוריאה לטכנולוגיה כימית (KRICT), אוניברסיטת דיוק ו-IBM גילו נוסחה וטכניקה חדשה המאפשרת לנו לחלץ מידע בו-זמנית על הבסיס והלא בסיסי נשאים, כגון ריכוזם וניידותם, וכן קבלת מידע נוסף על חיי הנשא, אורך הדיפוזיה ותהליך הרקומבינציה.

ליתר דיוק, בניסוי photo-Hall, שני הנשאים תורמים לשינויים במוליכות (σ) ובמקדם הול ​​(H, פרופורציונלי ליחס בין מתח הול לשדה המגנטי). תובנות מפתח מגיעות ממדידת מוליכות ומקדם הול ​​כפונקציה של עוצמת האור. מוסתר בצורת עקומת מקדם מוליכות-הול (σ-H) מציג מידע חדש ביסודו: ההבדל בניידות של שני הנשאים. כפי שנדון במאמר, ניתן לבטא קשר זה באלגנטיות:

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

החל מצפיפות נושאת רוב ידועה ממדידת הול מסורתית בחושך, אנו יכולים לחשוף עבור הרוב והמיעוט ניידות וצפיפות נשאי כפונקציה של עוצמת האור. הצוות כינה את שיטת המדידה החדשה: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). עם עוצמת תאורת אור ידועה, ניתן לקבוע את משך החיים של המנשא באופן דומה. הקשר הזה והפתרונות שלו הוסתרו כבר כמעט מאה וחצי מאז גילוי אפקט הול.

מלבד התקדמות בהבנה תיאורטית זו, התקדמות בשיטות ניסוי היא גם קריטית כדי לאפשר שיטה חדשה זו. השיטה דורשת מדידה טהורה של אות הול, מה שעלול להיות קשה עבור חומרים שבהם אות הול חלש (לדוגמה, עקב ניידות נמוכה) או כאשר קיימים אותות לא רצויים נוספים, כמו הקרנת אור חזקה. לשם כך, יש צורך לבצע מדידת הול באמצעות שדה מגנטי מתנודד. בדיוק כמו בעת האזנה לרדיו, אתה צריך לבחור את התדר של התחנה הרצויה, לזרוק את כל שאר התדרים הפועלים כרעש. שיטת CRPH הולכת צעד אחד קדימה ובוחרת לא רק את התדר הרצוי אלא גם את שלב השדה המגנטי המתנודד בשיטה הנקראת חישה סינכרונית. מושג זה של מדידת הול מתנודדת ידוע זה מכבר, אך השיטה המסורתית של שימוש במערכת של סלילים אלקטרומגנטיים ליצירת שדה מגנטי מתנודד לא הייתה יעילה.

גילוי קודם

כפי שקורה לעתים קרובות במדע, ההתקדמות בתחום אחד מונעת מגילויים בתחום אחר. בשנת 2015, IBM Research דיווחה על תופעה לא ידועה בעבר בפיזיקה הקשורה לאפקט חדש של כליאת שדה מגנטי המכונה "אפקט גיבנת גמל", המתרחש בין שני קווים של דיפולים רוחביים כאשר הם חורגים מאורך קריטי, כפי שמוצג באיור 2a. האפקט הוא תכונה מרכזית המאפשרת סוג חדש של מלכודת מגנטית טבעית הנקראת מלכודת קו דיפול מקביל (PDL), כפי שמוצג באיור 2ב. מלכודת PDL מגנטית יכולה לשמש כפלטפורמה חדשה למגוון יישומי חישה כגון מד הטיה, סיסממטר (חיישן רעידת אדמה). מערכות חיישנים חדשות כאלה, יחד עם טכנולוגיות ביג דאטה, עשויות לפתוח יישומים חדשים רבים, והן נחקרות על ידי צוות המחקר של יבמ המפתח פלטפורמת ניתוח נתונים גדולים בשם IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), המכילה שפע של גיאו-מרחבי ונתוני האינטרנט של הדברים (IoT).

באופן מפתיע, לאותו אלמנט PDL יש עוד אפליקציה ייחודית. כשהיא מסובבת, היא משמשת כמערכת ניסוי Photo-Hall אידיאלית להשגת תנודה הרמונית חד כיוונית וטהורה של השדה המגנטי (איור 2c). חשוב מכך, המערכת מספקת מספיק מקום כדי לאפשר הארה של אזור רחב של הדגימה, דבר שהוא קריטי בניסויים בפוטו-הול.

פגיעה

שיטת הפוטו-הול החדשה שפיתחנו מאפשרת לנו להוציא כמות מדהימה של מידע ממוליכים למחצה. בניגוד לשלושה פרמטרים בלבד שהתקבלו במדידת הול הקלאסית, שיטה חדשה זו מניבה עד שבעה פרמטרים בכל אחת מעוצמות האור שנבדקו. זה כולל את הניידות הן של אלקטרונים והן של חורים; ריכוז הנשא שלהם בהשפעת האור; חיי ריקומבינציה; ואורך דיפוזיה עבור אלקטרונים, חורים וסוגים אמביפולאריים. ניתן לחזור על כל זה N פעמים (כלומר מספר הפרמטרים של עוצמת האור בשימוש בניסוי).

גילוי וטכנולוגיה חדשים אלה יסייעו לקדם התקדמות מוליכים למחצה בטכנולוגיות קיימות ומתפתחות כאחד. כעת יש לנו את הידע והכלים הדרושים כדי לחלץ את המאפיינים הפיזיים של חומרים מוליכים למחצה בפירוט רב. לדוגמה, זה יעזור להאיץ את הפיתוח של טכנולוגיית מוליכים למחצה מהדור הבא, כמו פאנלים סולאריים טובים יותר, התקנים אופטו-אלקטרוניים טובים יותר, וחומרים והתקנים חדשים לטכנולוגיות בינה מלאכותית.

מקורי מאמר שפורסם ב-7 באוקטובר 2019 ב בלוג IBM Research.
תרגום: ניקולאי מרין (ניקולאי מרין), קצין טכנולוגיה ראשי IBM ברוסיה ובמדינות חבר העמים.

מקור: www.habr.com