Përkthimi i një artikulli nga autorët e IBM Research.
Një përparim i rëndësishëm në fizikë do të lejojë studimin e karakteristikave fizike të polupërçuesve në detaje më të mëdha. Kjo mund të ndihmojë në përshpejtimin e zhvillimit të teknologjisë së polupërçuesve të brezit të ardhshëm.
Shkruar nga:
— Anëtar i stafit, IBM Research
Doug Bishop — Inxhinier i Karakterizimit, IBM Research
Polupërçuesit janë blloqet kryesore ndërtuese të epokës sonë dixhitale dhe elektronike, duke na ofruar një shumëllojshmëri pajisjesh që sjellin përfitime në jetën tonë moderne, si kompjuterë, smartphone dhe pajisje të tjera të lëvizshme. Përmirësimet në funksionalitetin dhe performancën e polupërçuesve gjithashtu lejojnë aplikacione për brezin e ardhshëm të polupërçuesve për përpunim, njohje dhe konvertim energjie. Kërkuesit tashmë kanë luftuar për një kohë të gjatë për të tejkaluar kufizimet e aftësisë sonë për të kuptuar plotësisht ngarkesat elektronike brenda pajisjeve të polupërçuesve dhe materialeve të avancuara të polupërçuesve, që pengojnë mundësinë tonë për të përparuar më tej.
Në një studim të ri në revistën Bashkëpunimi hulumtor, i udhëhequr nga IBM Research, përshkruan një përparim emocionues në zbulimin e një misteri 140-vjeçar në fizikë, i cili do të na lejojë të shqyrtojmë karakteristikat fizike të materialeve gjysmëpërçues në më shumë detaje dhe të mbështesim zhvillimin e materialeve të reja dhe të përmirësuara gjysmëpërçues.
Për të kuptuar vërtet fizikën e polushtuesve, së pari duhet të kuptojmë pronat fondamentale të mbajtësve të ngarkesës brenda materialeve, nëse ato janë pjesë negative apo pozitive, shpejtësinë e tyre në një fushë elektrike të aplikuar dhe sa ngushtë janë të paketuar brenda materialit. Fizikanti Edwin Hall zbuloi një mënyrë për të përcaktuar këto karakteristika në vitin 1879, kur zbuloi se një fushë magnetike devijon lëvizjen e ngarkesave elektronike brenda një përçuesi dhe se sasia e devijimit mund të matet si një diferencë potenciali që është përpendikulare ndaj rrjedhës së ngarkesave, siç tregohet në figurën Figure 1a. Ky tension, i njohur si tensioni Hall, ofron informacione të rëndësishme në lidhje me mbajtësit e ngarkesës në polushtues, përfshirë nëse ata janë elektrone negative apo pozitive, quajtur “vrima”, shpejtësinë e tyre të lëvizjes në fushën elektrike, ose “lëvizshmërinë” (µ), dhe përqendrimin (n) brenda polushtuesit.
Tajni 140-vjeçare
Pasi dekadash pas zbulimin e Hall-it, studiuesit gjithashtu zbuluan se ata mund të kryenin matje të efektit Hall me dritë — eksperimentet, të quajtur foto-Hall, shih figurën Figure 1b. Në eksperimente të tilla, ndriçimi me dritë gjeneron shumicë bartësish ose çifte elektron-panshim në gjysmëpërçues. Fatkeqësisht, kuptimi ynë i efektit bazë të Hall-it ka ofruar vetëm njohuri për bartësit kryesorë të ngarkesës (ose bartësit më të shumtë). Studiuesit kanë qenë të pamundur të nxjerrin parametrat e të dy bartësve (kryesor dhe jo kryesor) njëherazi. Informacione të tilla janë thelbësore për shumë aplikacione që lidhen me dritën, të tilla si panelet diellore dhe pajisje të tjera optoelektronike.
Studimi i IBM Research në revistë zbulon një nga sekretet e ruajtura për një kohë të gjatë të efektit Hall. Hulumtuesit nga Instituti Koreano për Teknologjitë e Avancuara (Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST), Instituti Koreano i Kërkimeve për Teknologji Kimike (Korea Research Institute of Chemical Technology, KRICT), Universiteti Duke (Duke University), dhe IBM zbuluan një formulë dhe teknologji të re që na lejon të nxjerrim informacion njëkohësisht mbi mbajtësin kryesor dhe sekondar, siç janë përqendrimi dhe lëvizshmëria e tyre, po ashtu si dhe të fitojmë informacion shtesë mbi kohëzgjatjen e ekzistencës së mbajtësit, gjatësinë e difuzionit dhe procesin e rikombinimit.
Më konkretisht, në eksperimentin foto-Hall, të dy bartësit kontribuojnë në ndryshimet në drejtueshmëri (σ) dhe koeficientin e Hall-it (H, në proporcion me raportin e tensionit të Hall-it ndaj fushës magnetike). Kuptimi kyç vjen nga matja e drejtueshmërisë dhe koeficientit të Hall-it si funksion të intensitetit të dritës. E fshehur në formën e një curve të drejtueshmërisë- koeficientin e Hall-it (σ-H) është informacioni thelbësor: diferenca në mobilitetin e të dy bartësve. Siç diskutohet në artikull, kjo lidhje mund të shprehet në mënyrë elegante:
$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$
Duke filluar me densitetin e njohur të bartësve të shumicës nga matja tradicionale e Hall-it në errësirë, ne mund të zbulojmë si për shumicën ashtu edhe për pakicën mobilitetin dhe densitetin e bartësve si funksion të intensitetit të dritës. Ekipi e quajti metodën e re të matjes: foto-Hall e zgjidhur nga bartësi (Carrier-Resolved Photo Hall, CRPH). Me një intensitet të njohur ndriçimi, koha e ekzistencës së bartësit mund të vendoset në mënyrë të ngjashme. Kjo lidhje dhe zgjidhjet e lidhura ishin të fshehura për gati një shekull e gjysmë, që nga zbulimi i efektit Hall.
Përveç arritjeve në këtë kuptim teorik, arritjet në metodat eksperimentale gjithashtu kanë rëndësi përcaktuese për sigurimin e këtij metodoje të re. Metoda kërkon një matje të pastër të sinjalit të Hall-it, e cila mund të jetë e vështirë për materialet ku sinjali i Hall-it është i dobët (për shembull, për shkak të mobilitetit të ulët) ose kur janë të pranishme sinjale të tjera të padëshiruara, siç është në rrezatimin e fortë të dritës. Për këtë, është e nevojshme të bëhet matja e Hall-it duke përdorur një fushë magnetike të dridhshme. Ashtu si te dëgjimi i radios, është e nevojshme të zgjidhet frekuenca e stacionit të kërkuar, duke hedhur poshtë të gjitha frekuencat e tjera që shërbejnë si zhurmë. Metoda CRPH shkon një hap përpara dhe zgjedh jo vetëm frekuencën e dëshiruar, por gjithashtu edhe fazën e fushës magnetike të dridhshme me një metodë të quajtur përcaktimi sinkron. Kjo koncept i matjes së Hall-it të dridhshëm (oscillating Hall measurement) është njohur për një kohë të gjatë, por metoda tradicionale që përdor një sistem bobinash elektromagnetike për të gjeneruar një fushë magnetike të dridhshme ka qenë e pazhvillueshme.
Zbulimi paraprak
Në shkencë ndodhin shpesh përparime në një fushë si rezultat i zbulimeve në një tjetër. Në vitin 2015, IBM Research raportoi për një fenomen të panjohur më parë në fizikë, të lidhur me një efekt të ri të kapjes së fushës magnetike, të quajtur efekti 'depo e kamelëve', i cili ndodh mes dy linjave të dipoleve tejçues, kur ato tejkalojnë një gjatësi kritike, siç tregohet në figuren Figure 2a. Efekti është një karakteristikë kyçe që siguron një tip të ri të kurthit magnetik natyror, të quajtur kurthi i dipoleve paralel (parallel dipole line trap, PDL trap), siç tregohet në figuren Figure 2b. Kurthi magnetik PDL mund të përdoret si një platformë e re për aplikacione të ndryshme sensorike, si për shembull inklinometri dhe seismometër (sensor për tërmete). Sistemet e tilla të reja sensorike së bashku me teknologjitë e të dhënave të mëdha mund të hapin shumë aplikacione të reja, dhe po studiohen nga ekipi i IBM Research, që po zhvillon një platformë analitike për të dhëna të mëdha të quajtur IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), e cila përmban shumë të dhëna gjeohapësinore dhe të dhëna nga Interneti i Things (IoT).
Në mënyrë të habitshme, elementi i njëjtë PDL ka një përdorim tjetër unik. Kur rrotullohet, ai shërben si një sistem ideal për eksperimentin Hall foto, për të gjeneruar një lëvizje harmonike të pastër dhe të njëanshme të fushës magnetike (figura 2c). Më e rëndësishmja, sistemi ofron mjaft hapësirë për të lejuar ndriçimin e një zone të gjerë të mostrës, që është kritike në eksperimentet e Hall foto.
Ndikimi
Metoda e re e zhvilluar për Hall-in foto na lejon të nxjerrim një sasi të pabesueshme informacioni nga gjysmëpërçuesit. Ndryshe nga vetëm tre parameteret që merren në matjen klasike të Hall-it, kjo metodë e re sjell deri në shtatë parametra në çdo intensitet dritë të provuar. Kjo përfshin lëvizshmërinë e elektronve dhe vrimave; përqendrimin e bartësve të tyre nën ndikimin e dritës; kohën e jetës së rikombinimit; dhe gjatësi difuzie për elektronet, vrimat dhe tipin ambipolar. Të gjitha këto mund të përsëriten N herë (dmth numri i parametrave të intensitetit të dritës të përdorur në eksperiment).
Ky kyçje e re dhe teknologjia do të ndihmojnë në avancimin e arritjeve në gjysmëpërçues, si në teknologjitë ekzistuese ashtu edhe në ato në zhvillim. Tani kemi njohuritë dhe mjetet e nevojshme për të nxjerrë karakteristikat fizike të materialeve gjysmëpërçues me detaje të larta. Për shembull, kjo do të ndihmojë në acelerimin e zhvillimit të teknologjisë gjysmëpërçuesore të brezit të ardhshëm, si panelet solare më të avancuara, pajisjet optoelektronike më të mira dhe materiale e dispozita të reja për teknologjitë e inteligjencës artificiale.
artikulli u publikua më 7 tetor 2019 në .
Përkthimi: Nikolaj Marin (), Drejtori Teknik i IBM në Rusi dhe vendet e CIS.
Burimi: habr.com
