Откривање на 140-годишна тајна во физиката

Превод на статија од автори од IBM Research.

Важен пробив во физиката ќе ни овозможи многу подетално да ги проучуваме физичките карактеристики на полупроводниците. Ова може да помогне да се забрза развојот на технологијата за полупроводници од следната генерација.

Авторите:
Оки Гунаван — Член на персоналот, IBM Research
Даг Бишоп - инженер за карактеризација, IBM Research

Полупроводниците се основните градежни блокови на денешната дигитална електронска ера, обезбедувајќи ни разновидни уреди кои имаат корист од нашиот модерен живот, како што се компјутерите, паметните телефони и другите мобилни уреди. Подобрувањата во функционалноста и перформансите на полупроводниците, исто така, овозможуваат апликации за полупроводници од следната генерација во пресметките, сензорите и конверзијата на енергијата. Истражувачите долго време се борат да ги надминат ограничувањата во нашата способност целосно да ги разбереме електронските полнежи во полупроводничките уреди и напредните полупроводнички материјали кои ја спречуваат нашата способност да се движиме напред.

Во една нова студија во списанието природата Истражувачка соработка предводена од IBM Research опишува возбудлив пробив во решавањето на мистеријата стара 140 години во физиката, онаа која ќе ни овозможи многу подетално да ги проучуваме физичките карактеристики на полупроводниците и да овозможиме развој на нови и подобрени полупроводнички материјали.

За вистински да ја разбереме физиката на полупроводниците, прво мора да ги разбереме основните својства на носителите на полнеж во материјалите, без разлика дали се негативни или позитивни честички, нивната брзина во применетото електрично поле и колку густо се спакувани во материјалот. Физичарот Едвин Хол нашол начин да ги одреди овие својства во 1879 година кога открил дека магнетното поле ќе го отфрли движењето на електронските полнежи во спроводникот и дека количината на отклон може да се мери како потенцијална разлика нормална на насочениот тек на наелектризираните честички, како што е прикажано на слика 1а. Овој напон, познат како напон Хол, открива значајни информации за носителите на полнеж во полупроводникот, вклучително и дали се негативни електрони или позитивни квазичестички наречени „дупки“, колку брзо се движат во електрично поле или нивната „мобилност“ (µ ), и нивната концентрација (n) внатре во полупроводникот.

Мистерија стара 140 години

Децении по откритието на Хол, истражувачите исто така открија дека можат да направат мерења на ефектот Хол со светлина - експерименти наречени фото-Хол, видете Слика 1б. Во такви експерименти, светлосното осветлување генерира повеќе носители, или парови електрони-дупки, во полупроводниците. За жал, нашето разбирање за основниот ефект на Хол обезбеди увид само во мнозинството (или мнозинството) носители на полнење. Истражувачите не беа во можност да извлечат параметри од двата медиума (главни и не-главни) истовремено. Ваквите информации се клучни за многу апликации поврзани со светлината, како што се соларни панели и други оптоелектронски уреди.

Студија на списанието IBM Research природата открива една од долго чуваните тајни на ефектот Хол. Истражувачите од Корејскиот напреден институт за наука и технологија (KAIST), Корејскиот истражувачки институт за хемиска технологија (KRICT), Универзитетот Дјук и IBM открија нова формула и техника што ни овозможува истовремено да извлекуваме информации за основните и неосновните носачи, како што се нивната концентрација и мобилност, како и да се добијат дополнителни информации за животниот век на носачот, должината на дифузијата и процесот на рекомбинација.

Поконкретно, во експериментот со фото-Хол, и двата носители придонесуваат за промени во спроводливоста (σ) и Хол коефициентот (H, пропорционален на односот на напонот на Хол и магнетното поле). Клучните сознанија доаѓаат од мерењето на спроводливоста и Хол коефициентот како функција на интензитетот на светлината. Скриено во обликот на спроводливост-Хол коефициент крива (σ-H) покажува фундаментално нови информации: разликата во мобилноста на двата носители. Како што беше дискутирано во статијата, оваа врска може да се изрази елегантно:

$$приказ$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$прикажување$$

Почнувајќи со позната мнозинска густина на носител од традиционалното мерење на Хол во темнина, можеме да откриеме и за мнозинството и за малцинството мобилност и густина на носачот како функција од интензитетот на светлината. Тимот го нарече новиот метод на мерење: Фото сала со резолуција од превозникот (CRPH). Со познат интензитет на осветлување на светлината, животниот век на носачот може да се утврди на сличен начин. Оваа врска и нејзините решенија се кријат речиси век и половина од откривањето на ефектот Хол.

Освен напредокот во ова теоретско разбирање, напредокот во експерименталните методи е исто така критичен за да се овозможи овој нов метод. Методот бара чисто мерење на сигналот на Хол, што може да биде тешко за материјали каде што сигналот на Хол е слаб (на пример, поради малата подвижност) или кога се присутни дополнителни несакани сигнали, како со силно светлосно зрачење. За да го направите ова, неопходно е да се изврши мерење на Хол користејќи осцилирачко магнетно поле. Исто како кога слушате радио, треба да ја изберете фреквенцијата на саканата станица, отфрлајќи ги сите други фреквенции кои делуваат како шум. Методот CRPH оди еден чекор понатаму и ја избира не само саканата фреквенција, туку и фазата на осцилирачкото магнетно поле користејќи метод наречен синхроно сензор. Овој концепт на осцилирачко мерење на Хол е одамна познат, но традиционалниот метод на користење на систем на електромагнетни намотки за генерирање на осцилирачко магнетно поле беше неефикасен.

Претходно откритие

Како што често се случува во науката, напредокот во една област е поттикнат од откритија во друга. Во 2015 година, IBM Research објави претходно непознат феномен во физиката поврзан со новиот ефект на ограничување на магнетното поле наречен ефект „камилска грпка“, кој се јавува помеѓу две линии на попречни диполи кога тие надминуваат критична должина, како што е прикажано на Слика 2а. Ефектот е клучна карактеристика што овозможува нов тип на природна магнетна стапица наречена стапица на паралелна диполна линија (PDL стапица), како што е прикажано на слика 2б. Магнетната PDL стапица може да се користи како нова платформа за различни апликации за сензори, како што се навалување, сеизмометар (сензор за земјотрес). Ваквите нови сензорски системи, заедно со технологиите за големи податоци, би можеле да отворат многу нови апликации и се истражуваат од страна на истражувачкиот тим на IBM кој развива платформа за анализа на големи податоци наречена IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), која содржи богато геопросторно и податоци за Интернет на нештата (IoT).

Изненадувачки, истиот PDL елемент има уште една единствена апликација. Кога се ротира, служи како идеален експериментален систем за фото-Хол за да се добие еднонасочно и чисто хармонично осцилирање на магнетното поле (Слика 2в). Уште поважно, системот обезбедува доволно простор за да овозможи осветлување на широк простор од примерокот, што е критично во експериментите со фото-сала.

Влијание

Новиот метод на фотосала што го развивме ни овозможува да извлечеме неверојатна количина на информации од полупроводниците. За разлика од само три параметри добиени во класичното мерење на Хол, овој нов метод дава до седум параметри при секој од тестираните интензитети на светлина. Ова ја вклучува мобилноста и на електроните и на дупките; концентрацијата на нивниот носител под влијание на светлината; век на рекомбинација; и должина на дифузија за електрони, дупки и амбиполарни типови. Сето ова може да се повтори N пати (т.е. бројот на параметри на интензитетот на светлината користени во експериментот).

Ова ново откритие и технологија ќе помогнат да се унапреди напредокот на полупроводниците и во постоечките и во новите технологии. Сега имаме знаење и алатки потребни за да ги извлечеме физичките карактеристики на полупроводничките материјали во големи детали. На пример, тоа ќе помогне да се забрза развојот на технологијата за полупроводници од следната генерација, како што се подобри соларни панели, подобри оптоелектронски уреди и нови материјали и уреди за технологии за вештачка интелигенција.

Авторски статија објавена на 7 октомври 2019 година во Блог на IBM Research.
Превод: Николај Марин (Николај Марин), главен директор за технологија на IBM во Русија и земјите од ЗНД.

Извор: www.habr.com