ເປີດເຜີຍຄວາມລັບອາຍຸ 140 ປີໃນຟີຊິກ

ການແປບົດຄວາມໂດຍຜູ້ຂຽນຈາກ IBM Research.

ການບຸກທະລຸທີ່ສໍາຄັນໃນຟີຊິກຈະຊ່ວຍໃຫ້ພວກເຮົາສຶກສາລັກສະນະທາງດ້ານຮ່າງກາຍຂອງ semiconductors ໃນລາຍລະອຽດຫຼາຍກວ່າເກົ່າ. ນີ້ອາດຈະຊ່ວຍເລັ່ງການພັດທະນາຂອງເຕັກໂນໂລຊີ semiconductor ຮຸ່ນຕໍ່ໄປ.

ຜູ້ຂຽນ:
ໂອກີ ກູນາວັນ - ສະມາຊິກພະນັກງານ, ການຄົ້ນຄວ້າ IBM
Doug Bishop - ວິສະວະກອນລັກສະນະ, ການຄົ້ນຄວ້າ IBM

Semiconductors ເປັນຕົວສ້າງພື້ນຖານຂອງຍຸກເອເລັກໂຕຣນິກດິຈິຕອນໃນປັດຈຸບັນ, ໃຫ້ພວກເຮົາອຸປະກອນທີ່ຫລາກຫລາຍທີ່ເປັນປະໂຫຍດຕໍ່ຊີວິດທີ່ທັນສະໄຫມຂອງພວກເຮົາ, ເຊັ່ນຄອມພິວເຕີ, ໂທລະສັບສະຫຼາດແລະອຸປະກອນມືຖືອື່ນໆ. ການປັບປຸງການທໍາງານ ແລະປະສິດທິພາບຂອງເຊມິຄອນດັກເຕີ ແມ່ນຍັງເຮັດໃຫ້ການໃຊ້ງານຂອງເຊມິຄອນນໍາດັກເຕີລຸ້ນຕໍ່ໄປໃນຄອມພິວເຕີ, ການຮັບຮູ້ ແລະການປ່ຽນແປງພະລັງງານ. ນັກຄົ້ນຄວ້າໄດ້ພະຍາຍາມຢ່າງຍາວນານເພື່ອເອົາຊະນະຂໍ້ຈໍາກັດໃນຄວາມສາມາດຂອງພວກເຮົາທີ່ຈະເຂົ້າໃຈຢ່າງເຕັມສ່ວນຄ່າເອເລັກໂຕຣນິກພາຍໃນອຸປະກອນ semiconductor ແລະວັດສະດຸ semiconductor ກ້າວຫນ້າທີ່ຂັດຂວາງຄວາມສາມາດຂອງພວກເຮົາທີ່ຈະກ້າວໄປຂ້າງຫນ້າ.

ໃນການສຶກສາໃຫມ່ໃນວາລະສານ ລັກສະນະ ການຮ່ວມມືການຄົ້ນຄວ້າທີ່ນໍາພາໂດຍ IBM Research ອະທິບາຍເຖິງຄວາມກ້າວຫນ້າທີ່ຫນ້າຕື່ນເຕັ້ນໃນການແກ້ໄຂຄວາມລຶກລັບໃນຟີຊິກ 140 ປີ, ເຊິ່ງຈະຊ່ວຍໃຫ້ພວກເຮົາສຶກສາຄຸນລັກສະນະທາງກາຍະພາບຂອງ semiconductors ໃນລາຍລະອຽດຫຼາຍກວ່າເກົ່າແລະເຮັດໃຫ້ການພັດທະນາວັດສະດຸ semiconductor ໃຫມ່ແລະປັບປຸງໃຫມ່.

ເພື່ອເຂົ້າໃຈຟີຊິກຂອງ semiconductors ຢ່າງແທ້ຈິງ, ກ່ອນອື່ນ ໝົດ, ພວກເຮົາຕ້ອງເຂົ້າໃຈຄຸນສົມບັດພື້ນຖານຂອງຕົວເກັບຄ່າພາຍໃນວັດສະດຸ, ບໍ່ວ່າຈະເປັນອະນຸພາກທາງລົບຫຼືທາງບວກ, ຄວາມໄວຂອງມັນຢູ່ໃນສະຫນາມໄຟຟ້າທີ່ໃຊ້, ແລະຄວາມຫນາແຫນ້ນຂອງພວກມັນຖືກບັນຈຸຢູ່ໃນວັດສະດຸ. ນັກຟີຊິກສາດ Edwin Hall ໄດ້ຊອກຫາວິທີທີ່ຈະກໍານົດຄຸນສົມບັດເຫຼົ່ານີ້ໃນປີ 1879 ເມື່ອລາວຄົ້ນພົບວ່າພາກສະຫນາມແມ່ເຫຼັກຈະ deflect ການເຄື່ອນໄຫວຂອງຄ່າໄຟຟ້າໃນຕົວນໍາ, ແລະວ່າປະລິມານຂອງ deflection ສາມາດວັດແທກໄດ້ເປັນຄວາມແຕກຕ່າງທີ່ອາດມີ perpendicular ກັບທິດທາງຂອງກະແສໄຟຟ້າ. particles, ດັ່ງທີ່ສະແດງຢູ່ໃນຮູບ 1a. ແຮງດັນໄຟຟ້ານີ້, ເອີ້ນວ່າແຮງດັນຂອງ Hall, ເປີດເຜີຍຂໍ້ມູນທີ່ສໍາຄັນກ່ຽວກັບຕົວນໍາຄ່າໄຟຟ້າໃນ semiconductor, ລວມທັງບໍ່ວ່າຈະເປັນເອເລັກໂຕຣນິກລົບຫຼື quasiparticles ບວກທີ່ເອີ້ນວ່າ "ຮູ", ພວກເຂົາຈະເຄື່ອນທີ່ໄວໃນພາກສະຫນາມໄຟຟ້າ, ຫຼື "ການເຄື່ອນໄຫວ" ຂອງພວກເຂົາ (µ ), ແລະຄວາມເຂັ້ມຂົ້ນຂອງພວກເຂົາ (n) ພາຍໃນ semiconductor.

ຄວາມລຶກລັບ 140 ປີ

ທົດສະວັດຫຼັງຈາກການຄົ້ນພົບຂອງ Hall, ນັກຄົ້ນຄວ້າຍັງໄດ້ຄົ້ນພົບວ່າພວກເຂົາສາມາດວັດແທກຜົນກະທົບຂອງ Hall ດ້ວຍແສງສະຫວ່າງ - ການທົດລອງທີ່ເອີ້ນວ່າ photo-Hall, ເບິ່ງຮູບ 1b. ໃນການທົດລອງດັ່ງກ່າວ, ການສ່ອງແສງເຮັດໃຫ້ມີຜູ້ຂົນສົ່ງຫຼາຍ, ຫຼືຄູ່ electron-hole, ໃນ semiconductors. ແຕ່ຫນ້າເສຍດາຍ, ຄວາມເຂົ້າໃຈຂອງພວກເຮົາກ່ຽວກັບຜົນກະທົບຂອງ Hall ພື້ນຖານໄດ້ໃຫ້ຄວາມເຂົ້າໃຈກ່ຽວກັບຜູ້ຂົນສົ່ງສ່ວນໃຫຍ່ (ຫຼືສ່ວນໃຫຍ່) ເທົ່ານັ້ນ. ນັກຄົ້ນຄວ້າບໍ່ສາມາດສະກັດຕົວກໍານົດການຈາກທັງສອງສື່ (ທີ່ສໍາຄັນແລະບໍ່ແມ່ນທີ່ສໍາຄັນ) ພ້ອມກັນ. ຂໍ້ມູນດັ່ງກ່າວເປັນກຸນແຈສໍາລັບຄໍາຮ້ອງສະຫມັກທີ່ກ່ຽວຂ້ອງກັບແສງຈໍານວນຫຼາຍ, ເຊັ່ນ: ແຜງແສງຕາເວັນແລະອຸປະກອນ optoelectronic ອື່ນໆ.

ການສຶກສາວາລະສານ IBM Research ລັກສະນະ ເປີດເຜີຍຄວາມລັບທີ່ເກັບໄວ້ດົນນານຂອງຜົນກະທົບຂອງ Hall. ນັກຄົ້ນຄວ້າຈາກສະຖາບັນວິທະຍາສາດແລະເຕັກໂນໂລຢີຂັ້ນສູງຂອງເກົາຫຼີ (KAIST), ສະຖາບັນຄົ້ນຄ້ວາເຕັກໂນໂລຢີເຄມີຂອງເກົາຫຼີ (KRICT), ມະຫາວິທະຍາໄລ Duke, ແລະ IBM ໄດ້ຄົ້ນພົບສູດແລະເຕັກນິກໃຫມ່ທີ່ຊ່ວຍໃຫ້ພວກເຮົາສາມາດສະກັດຂໍ້ມູນກ່ຽວກັບພື້ນຖານແລະບໍ່ແມ່ນພື້ນຖານໃນເວລາດຽວກັນ. ຜູ້ໃຫ້ບໍລິການ, ເຊັ່ນຄວາມເຂັ້ມຂົ້ນແລະຄວາມເຄື່ອນທີ່ຂອງເຂົາເຈົ້າ, ເຊັ່ນດຽວກັນກັບການໄດ້ຮັບຂໍ້ມູນເພີ່ມເຕີມກ່ຽວກັບອາຍຸການຂອງຜູ້ໃຫ້ບໍລິການ, ຄວາມຍາວການແຜ່ກະຈາຍແລະຂະບວນການປະສົມປະສານ.

ໂດຍສະເພາະ, ໃນການທົດລອງ photo-Hall, ຜູ້ໃຫ້ບໍລິການທັງສອງໄດ້ປະກອບສ່ວນເຂົ້າໃນການປ່ຽນແປງຂອງ conductivity (σ) ແລະ Hall coefficient (H, ອັດຕາສ່ວນກັບອັດຕາສ່ວນຂອງແຮງດັນຂອງ Hall ກັບພາກສະຫນາມແມ່ເຫຼັກ). ຄວາມເຂົ້າໃຈທີ່ສໍາຄັນແມ່ນມາຈາກການວັດແທກການນໍາແລະຄ່າສໍາປະສິດ Hall ເປັນຫນ້າທີ່ຂອງຄວາມເຂັ້ມຂອງແສງສະຫວ່າງ. ເຊື່ອງຢູ່ໃນຮູບຮ່າງຂອງ conductivity-Hall coefficient curve (σ-H) ສະແດງໃຫ້ເຫັນຂໍ້ມູນໃຫມ່ໂດຍພື້ນຖານ: ຄວາມແຕກຕ່າງໃນການເຄື່ອນໄຫວຂອງທັງສອງຜູ້ໃຫ້ບໍລິການ. ດັ່ງທີ່ໄດ້ສົນທະນາໃນບົດຄວາມ, ສາຍພົວພັນນີ້ສາມາດສະແດງອອກຢ່າງສະຫງ່າງາມ:

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

ໂດຍເລີ່ມຈາກຄວາມໜາແໜ້ນຂອງຜູ້ໃຫ້ບໍລິການສ່ວນໃຫຍ່ທີ່ຮູ້ຈັກຈາກການວັດແທກ Hall ແບບດັ້ງເດີມໃນບ່ອນມືດ, ພວກເຮົາສາມາດເປີດເຜີຍໃຫ້ເຫັນເຖິງຄວາມເຄື່ອນໄຫວແລະຄວາມໜາແໜ້ນຂອງຜູ້ໃຫ້ບໍລິການທັງໝົດ ແລະ ຄົນສ່ວນໜ້ອຍເປັນໜ້າທີ່ຂອງຄວາມເຂັ້ມຂອງແສງ. ທີມງານໄດ້ຕັ້ງຊື່ວິທີການວັດແທກໃຫມ່: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). ດ້ວຍຄວາມເຂັ້ມຂຸ້ນຂອງແສງສະຫວ່າງທີ່ຮູ້ຈັກ, ຊີວິດຂອງຜູ້ໃຫ້ບໍລິການສາມາດຖືກສ້າງຕັ້ງຂຶ້ນໃນລັກສະນະທີ່ຄ້າຍຄືກັນ. ການເຊື່ອມຕໍ່ນີ້ແລະການແກ້ໄຂຂອງມັນໄດ້ຖືກເຊື່ອງໄວ້ສໍາລັບເກືອບຫນຶ່ງສະຕະວັດແລະເຄິ່ງຫນຶ່ງນັບຕັ້ງແຕ່ການຄົ້ນພົບຜົນກະທົບຂອງ Hall.

ນອກ ເໜືອ ໄປຈາກຄວາມກ້າວ ໜ້າ ໃນຄວາມເຂົ້າໃຈທາງທິດສະດີນີ້, ຄວາມກ້າວ ໜ້າ ໃນວິທີການທົດລອງຍັງມີຄວາມ ສຳ ຄັນຫຼາຍທີ່ຈະເປີດໃຊ້ວິທີການ ໃໝ່ ນີ້. ວິທີການດັ່ງກ່າວຮຽກຮ້ອງໃຫ້ມີການວັດແທກທີ່ບໍລິສຸດຂອງສັນຍານ Hall, ເຊິ່ງສາມາດມີຄວາມຫຍຸ້ງຍາກສໍາລັບວັດສະດຸທີ່ສັນຍານ Hall ອ່ອນເພຍ (ຕົວຢ່າງ, ເນື່ອງຈາກການເຄື່ອນທີ່ຕໍ່າ) ຫຼືໃນເວລາທີ່ສັນຍານທີ່ບໍ່ຕ້ອງການເພີ່ມເຕີມ, ເຊັ່ນດຽວກັນກັບການ irradiation ແສງສະຫວ່າງທີ່ເຂັ້ມແຂງ. ເພື່ອເຮັດສິ່ງນີ້, ມັນຈໍາເປັນຕ້ອງປະຕິບັດການວັດແທກ Hall ໂດຍໃຊ້ພາກສະຫນາມແມ່ເຫຼັກ oscillating. ເຊັ່ນດຽວກັນກັບເວລາຟັງວິທະຍຸ, ທ່ານຈໍາເປັນຕ້ອງເລືອກຄວາມຖີ່ຂອງສະຖານີທີ່ຕ້ອງການ, ຍົກເລີກຄວາມຖີ່ອື່ນໆທັງຫມົດທີ່ເຮັດຫນ້າທີ່ເປັນສິ່ງລົບກວນ. ວິທີການ CRPH ໄປອີກຂັ້ນຕອນຫນຶ່ງແລະເລືອກບໍ່ພຽງແຕ່ຄວາມຖີ່ທີ່ຕ້ອງການເທົ່ານັ້ນ, ແຕ່ຍັງເປັນໄລຍະຂອງສະຫນາມແມ່ເຫຼັກ oscillating ໂດຍໃຊ້ວິທີການທີ່ເອີ້ນວ່າ synchronous sensing. ແນວຄວາມຄິດຂອງການວັດແທກ Hall oscillating ນີ້ເປັນທີ່ຮູ້ຈັກມາແຕ່ດົນນານແລ້ວ, ແຕ່ວິທີການແບບດັ້ງເດີມຂອງການນໍາໃຊ້ລະບົບທໍ່ແມ່ເຫຼັກໄຟຟ້າເພື່ອສ້າງສະຫນາມແມ່ເຫຼັກ oscillating ແມ່ນບໍ່ມີປະສິດຕິຜົນ.

ການຄົ້ນພົບທີ່ຜ່ານມາ

ດັ່ງທີ່ເກີດຂື້ນເລື້ອຍໆໃນວິທະຍາສາດ, ຄວາມກ້າວຫນ້າໃນຂົງເຂດຫນຶ່ງແມ່ນຂັບເຄື່ອນໂດຍການຄົ້ນພົບໃນອີກດ້ານຫນຶ່ງ. ໃນປີ 2015, IBM Research ໄດ້ລາຍງານປະກົດການທີ່ບໍ່ຮູ້ມາກ່ອນໃນຟີຊິກທີ່ກ່ຽວຂ້ອງກັບຜົນກະທົບການກັກຂັງພາກສະຫນາມແມ່ເຫຼັກໃຫມ່ທີ່ເອີ້ນວ່າຜົນກະທົບ "camel hump", ເຊິ່ງເກີດຂື້ນລະຫວ່າງສອງເສັ້ນຂອງ dipoles transverse ເມື່ອພວກມັນເກີນຄວາມຍາວທີ່ສໍາຄັນ, ດັ່ງທີ່ສະແດງຢູ່ໃນຮູບ 2a. ຜົນກະທົບແມ່ນລັກສະນະທີ່ສໍາຄັນທີ່ຊ່ວຍໃຫ້ມີດັກແມ່ເຫຼັກທໍາມະຊາດຊະນິດໃຫມ່ທີ່ເອີ້ນວ່າຕົວດັກເສັ້ນຂະຫນານ dipole (PDL trap), ດັ່ງທີ່ສະແດງຢູ່ໃນຮູບ 2b. ເຄື່ອງດັກຈັບສະນະແມ່ເຫຼັກ PDL ສາມາດໃຊ້ເປັນແພລະຕະຟອມນະວະນິຍາຍສໍາລັບຄວາມຫລາກຫລາຍຂອງຄໍາຮ້ອງສະຫມັກການຮັບຮູ້ເຊັ່ນ: tiltmeter, seismometer (ເຊັນເຊີແຜ່ນດິນໄຫວ). ລະບົບເຊັນເຊີໃຫມ່ດັ່ງກ່າວ, ບວກໃສ່ກັບເຕັກໂນໂລຢີຂໍ້ມູນໃຫຍ່, ສາມາດເປີດຄໍາຮ້ອງສະຫມັກໃຫມ່ຈໍານວນຫຼາຍ, ແລະກໍາລັງຖືກຄົ້ນຫາໂດຍທີມງານຄົ້ນຄ້ວາ IBM ພັດທະນາແພລະຕະຟອມການວິເຄາະຂໍ້ມູນໃຫຍ່ທີ່ເອີ້ນວ່າ IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), ເຊິ່ງປະກອບດ້ວຍຄວາມອຸດົມສົມບູນຂອງ geospatial. ແລະອິນເຕີເນັດຂອງສິ່ງຕ່າງໆ. (IoT).

ເປັນເລື່ອງແປກທີ່, ອົງປະກອບ PDL ດຽວກັນມີຄໍາຮ້ອງສະຫມັກທີ່ເປັນເອກະລັກອື່ນ. ເມື່ອ rotated, ມັນເຮັດຫນ້າທີ່ເປັນລະບົບການທົດລອງ photo-Hall ທີ່ເຫມາະສົມເພື່ອໃຫ້ໄດ້ oscillation unidirectional ແລະປະສົມກົມກຽວອັນບໍລິສຸດຂອງພາກສະຫນາມແມ່ເຫຼັກ (ຮູບ 2c). ສິ່ງທີ່ສໍາຄັນກວ່ານັ້ນ, ລະບົບສະຫນອງພື້ນທີ່ພຽງພໍເພື່ອໃຫ້ການສະຫວ່າງຂອງພື້ນທີ່ກວ້າງຂອງຕົວຢ່າງ, ເຊິ່ງເປັນສິ່ງສໍາຄັນໃນການທົດລອງໃນຫ້ອງໂຖງຮູບພາບ.

ອິດທິພົນ

ວິທີການຫ້ອງໂຖງຮູບໃຫມ່ທີ່ພວກເຮົາໄດ້ພັດທະນາຊ່ວຍໃຫ້ພວກເຮົາສາມາດສະກັດຂໍ້ມູນຈໍານວນທີ່ຫນ້າປະຫລາດໃຈຈາກ semiconductors. ກົງກັນຂ້າມກັບພຽງແຕ່ສາມຕົວກໍານົດການທີ່ໄດ້ຮັບໃນການວັດແທກຫ້ອງຄລາສສິກ, ວິທີການໃຫມ່ນີ້ໃຫ້ຜົນໄດ້ຮັບເຖິງເຈັດຕົວກໍານົດການໃນແຕ່ລະຄວາມເຂັ້ມຂອງແສງທີ່ທົດສອບ. ນີ້ປະກອບມີການເຄື່ອນໄຫວຂອງທັງສອງເອເລັກໂຕຣນິກແລະຮູ; ຄວາມເຂັ້ມຂຸ້ນຂອງຜູ້ໃຫ້ບໍລິການຂອງພວກເຂົາພາຍໃຕ້ອິດທິພົນຂອງແສງສະຫວ່າງ; recombination ຕະຫຼອດຊີວິດ; ແລະຄວາມຍາວການແຜ່ກະຈາຍສໍາລັບເອເລັກໂຕຣນິກ, ຮູແລະປະເພດ ambipolar. ທັງໝົດນີ້ສາມາດຊໍ້າຄືນໄດ້ N ເວລາ (ເຊັ່ນ: ຈໍານວນຕົວກໍານົດຄວາມເຂັ້ມຂອງແສງທີ່ໃຊ້ໃນການທົດລອງ).

ການຄົ້ນພົບແລະເຕັກໂນໂລຢີໃຫມ່ນີ້ຈະຊ່ວຍໃຫ້ຄວາມກ້າວຫນ້າຂອງ semiconductor ກ້າວຫນ້າໃນທັງເຕັກໂນໂລຢີທີ່ມີຢູ່ແລະທີ່ພົ້ນເດັ່ນຂື້ນ. ໃນປັດຈຸບັນພວກເຮົາມີຄວາມຮູ້ແລະເຄື່ອງມືທີ່ຈໍາເປັນເພື່ອສະກັດຄຸນລັກສະນະທາງກາຍະພາບຂອງວັດສະດຸ semiconductor ໃນລາຍລະອຽດທີ່ຍິ່ງໃຫຍ່. ຕົວຢ່າງ, ມັນຈະຊ່ວຍເລັ່ງການພັດທະນາຂອງເທກໂນໂລຍີ semiconductor ຮຸ່ນຕໍ່ໄປ, ເຊັ່ນ: ແຜງແສງອາທິດທີ່ດີກວ່າ, ອຸປະກອນ optoelectronic ທີ່ດີກວ່າ, ແລະວັດສະດຸແລະອຸປະກອນໃຫມ່ສໍາລັບເຕັກໂນໂລຢີປັນຍາປະດິດ.

ຕົ້ນສະບັບ ບົດຄວາມທີ່ຈັດພີມມາໃນວັນທີ 7 ຕຸລາ 2019 in blog ຂອງ IBM Research.
ການແປພາສາ: Nikolay Marin (NikolayMarin), ຫົວຫນ້າເຕັກໂນໂລຢີ IBM ໃນລັດເຊຍແລະບັນດາປະເທດ CIS.

ແຫຼ່ງຂໍ້ມູນ: www.habr.com