Mbukak rahasia 140 taun ing fisika

Terjemahan artikel dening penulis saka IBM Research.

Terobosan penting ing fisika bakal ngidini kita sinau karakteristik fisik semikonduktor kanthi luwih rinci. Iki bisa mbantu nyepetake pangembangan teknologi semikonduktor generasi sabanjure.

Penulis:
Oki Gunawan - Anggota Staff, IBM Research
Doug Bishop - Insinyur Karakterisasi, Riset IBM

Semikonduktor minangka blok bangunan dhasar jaman elektronik digital saiki, nyedhiyakake macem-macem piranti sing entuk manfaat kanggo urip modern, kayata komputer, smartphone lan piranti seluler liyane. Dandan ing fungsionalitas lan kinerja semikonduktor uga mbisakake aplikasi semikonduktor generasi sabanjure ing komputasi, sensing, lan konversi energi. Peneliti wis suwe berjuang kanggo ngatasi watesan ing kemampuan kita kanggo ngerti kanthi lengkap babagan biaya elektronik ing piranti semikonduktor lan bahan semikonduktor canggih sing nahan kemampuan kita kanggo maju.

Ing panaliten anyar ing jurnal Nature Kolaborasi riset sing dipimpin dening IBM Research nggambarake terobosan sing nyenengake kanggo ngrampungake misteri fisika sing umure 140 taun, sing bakal ngidini kita sinau karakteristik fisik semikonduktor kanthi luwih rinci lan ngidini pangembangan bahan semikonduktor sing anyar lan apik.

Kanggo mangerteni fisika semikonduktor kanthi bener, kita kudu ngerti sifat dhasar saka operator muatan ing materi, apa partikel negatif utawa positif, kacepetan ing medan listrik sing ditrapake, lan sepira padhet dikemas ing materi kasebut. Fisikawan Edwin Hall nemokake cara kanggo nemtokake sifat-sifat kasebut ing taun 1879 nalika dheweke nemokake yen medan magnet bakal nyimpangake gerakan muatan elektron ing konduktor, lan jumlah defleksi bisa diukur minangka beda potensial tegak lurus karo arah aliran muatan. partikel, minangka ditampilake ing Figure 1a. Tegangan iki, sing dikenal minangka voltase Hall, nuduhake informasi penting babagan operator muatan ing semikonduktor, kalebu apa elektron negatif utawa kuasipartikel positif sing disebut "bolongan," sepira cepet gerakane ing medan listrik, utawa "mobilitas" (µ ), lan konsentrasi (n) ing jero semikonduktor.

misteri 140 taun

Puluhan taun sawise panemuan Hall, peneliti uga nemokake manawa bisa ngukur efek Hall kanthi eksperimen cahya sing diarani Photo-Hall, deleng Gambar 1b. Ing eksperimen kasebut, katerangan cahya ngasilake pirang-pirang operator, utawa pasangan lubang elektron, ing semikonduktor. Sayange, pangerten kita babagan efek Hall dhasar wis menehi wawasan mung babagan operator biaya mayoritas (utawa mayoritas). Para panaliti ora bisa ngekstrak paramèter saka loro media (utama lan non-utama) bebarengan. Informasi kasebut minangka kunci kanggo akeh aplikasi sing gegandhengan karo cahya, kayata panel surya lan piranti optoelektronik liyane.

Sinau majalah IBM Research Nature mbukak salah siji saka rahasia dawa-katahan saka efek Hall. Peneliti saka Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Duke University, lan IBM wis nemokake rumus lan teknik anyar sing ngidini kita ngekstrak informasi babagan dhasar lan non-dasar. operator, kayata konsentrasi lan mobilitas, uga entuk informasi tambahan babagan umur operator, dawa difusi lan proses rekombinasi.

Luwih khusus, ing eksperimen photo-Hall, loro operator nyumbang kanggo owah-owahan ing konduktivitas (σ) lan koefisien Hall (H, sebanding karo rasio voltase Hall kanggo medan magnet). Wawasan utama teka saka pangukuran konduktivitas lan koefisien Hall minangka fungsi intensitas cahya. Didhelikake ing wangun kurva koefisien konduktivitas-Hall (σ-H) nuduhake informasi dhasar anyar: prabédan ing mobilitas loro operator. Kaya sing wis dibahas ing artikel kasebut, hubungan iki bisa ditulis kanthi elegan:

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

Miwiti karo kapadhetan operator mayoritas sing dikenal saka pangukuran Hall tradisional ing peteng, kita bisa mbukak kanggo mobilitas lan kepadatan operator mayoritas lan minoritas minangka fungsi intensitas cahya. Tim kasebut menehi jeneng metode pangukuran anyar: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Kanthi intensitas katerangan cahya sing dikenal, umur operator bisa ditetepake kanthi cara sing padha. Sambungan iki lan solusi wis didhelikake meh setengah abad wiwit panemuan efek Hall.

Saliyane kemajuan ing pangerten teoritis iki, kemajuan ing metode eksperimen uga penting kanggo ngaktifake metode anyar iki. Cara kasebut mbutuhake pangukuran murni saka sinyal Hall, sing bisa dadi angel kanggo bahan sing sinyal Hall lemah (contone, amarga mobilitas kurang) utawa nalika ana sinyal tambahan sing ora dikarepake, kaya karo iradiasi cahya sing kuwat. Kanggo nindakake iki, perlu kanggo nindakake pangukuran Hall nggunakake medan magnet oscillating. Kaya nalika ngrungokake radio, sampeyan kudu milih frekuensi stasiun sing dipengini, mbuwang kabeh frekuensi liyane sing tumindak minangka gangguan. Cara CRPH dadi luwih maju lan milih ora mung frekuensi sing dikarepake nanging uga fase medan magnet osilasi nggunakake metode sing diarani sensing sinkron. Konsep pangukuran Hall oscillating iki wis suwe dikenal, nanging cara tradisional nggunakake sistem gulungan elektromagnetik kanggo ngasilake medan magnet osilasi ora efektif.

Penemuan sadurunge

Kaya sing asring kedadeyan ing ilmu, kemajuan ing sawijining wilayah didorong dening panemuan ing wilayah liyane. Ing 2015, IBM Research nglaporake fenomena fisika sing durung dingerteni sadurunge sing ana gandhengane karo efek kurungan medan magnet anyar sing diarani efek "punuk unta", sing kedadeyan ing antarane rong garis dipol transversal nalika ngluwihi dawa kritis, kaya sing ditampilake ing Gambar 2a. Efek kasebut minangka fitur kunci sing ngidini jinis trap magnetik alam anyar sing disebut trap line dipole paralel (trap PDL), kaya sing ditampilake ing Gambar 2b. Jebakan PDL magnetik bisa digunakake minangka platform anyar kanggo macem-macem aplikasi penginderaan kayata tiltmeter, seismometer (sensor gempa). Sistem sensor anyar kasebut, ditambah karo teknologi data gedhe, bisa mbukak akeh aplikasi anyar, lan lagi ditliti dening tim IBM Research ngembangake platform analytics data gedhe sing diarani IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), sing ngemot akeh geospasial. lan data Internet of Things (IoT).

Kaget, unsur PDL sing padha duwe aplikasi unik liyane. Nalika diputer, dadi sistem eksperimen photo-Hall becik kanggo njupuk osilasi harmonik unidirectional lan murni saka Magnetik kolom (Figure 2c). Sing luwih penting, sistem kasebut nyedhiyakake papan sing cukup kanggo ngidini katerangan saka area sampel sing amba, sing kritis ing eksperimen foto-Hall.

Pengaruh

Cara foto-bale anyar sing wis dikembangake ngidini kita ngekstrak informasi sing luar biasa saka semikonduktor. Beda karo mung telung parameter sing dipikolehi ing pangukuran Hall klasik, metode anyar iki ngasilake nganti pitung paramèter ing saben intensitas cahya sing diuji. Iki kalebu mobilitas elektron lan bolongan; konsentrasi operator kasebut ing pangaruh cahya; umur rekombinasi; lan dawa difusi kanggo elektron, bolongan lan jinis ambipolar. Kabeh iki bisa diulang kaping N (yaiku jumlah parameter intensitas cahya sing digunakake ing eksperimen).

Panemuan lan teknologi anyar iki bakal mbantu kemajuan semikonduktor ing teknologi sing wis ana lan sing anyar. Saiki kita duwe kawruh lan alat sing dibutuhake kanggo ngekstrak karakteristik fisik bahan semikonduktor kanthi rinci. Contone, bakal mbantu nyepetake pangembangan teknologi semikonduktor generasi sabanjure, kayata panel surya sing luwih apik, piranti optoelektronik sing luwih apik, lan bahan lan piranti anyar kanggo teknologi intelijen buatan.

Asli artikel diterbitake ing Oktober 7, 2019 ing IBM Research blog.
Terjemahan: Nikolay Marin (NikolayMarin), Chief Technology Officer IBM ing Rusia lan negara-negara CIS.

Source: www.habr.com