Met ultrasnelle scanning-elektronenmicroscopie onthullen onderzoekers de transporteigenschappen van hete fotodragers van kubisch boor

Met ultrasnelle scanning-elektronenmicroscopie onthullen onderzoekers de transporteigenschappen van hete fotodragers van kubisch boor

Credit: Er toe doen (2022). DOI: 10.1016/j.matt.2022.09.029

In een onderzoek dat zijn belofte als het volgende generatie halfgeleidermateriaal bevestigt, hebben UC Santa Barbara-onderzoekers de transporteigenschappen van de fotodrager van kubische boorarsenide-eenkristallen direct gevisualiseerd.

„We konden visualiseren hoe de lading in ons monster beweegt“, zegt Bolin Liao, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan het College of Engineering. Met behulp van de enige scanning ultrasnelle elektronenmicroscopie (SUEM) opstelling die in bedrijf is aan een Amerikaanse universiteit, konden hij en zijn team „films“ maken van de generatie- en transportprocessen van een foto-geëxciteerde lading in dit relatief weinig bestudeerde III-V halfgeleidermateriaal , waarvan onlangs is erkend dat het buitengewone elektrische en thermische eigenschappen heeft. Tijdens het proces vonden ze nog een gunstige eigenschap die bijdraagt ​​aan het potentieel van het materiaal als de volgende grote halfgeleider.

Hun onderzoek, uitgevoerd in samenwerking met de groep van natuurkundeprofessor Zhifeng Ren aan de Universiteit van Houston, die gespecialiseerd is in het vervaardigen van hoogwaardige eenkristallen van kubisch boorarsenide, verschijnt in het tijdschrift Er toe doen.

‚Aanbellen‘

Boorarsenide wordt gezien als een potentiële kandidaat om silicium, het belangrijkste halfgeleidermateriaal van de computerwereld, te vervangen vanwege zijn veelbelovende prestaties. Om te beginnen, met een verbeterde ladingsmobiliteit ten opzichte van silicium, geleidt het gemakkelijk stroom (elektronen en hun positief geladen tegenhanger, „gaten“). In tegenstelling tot silicium geleidt het echter ook gemakkelijk warmte.

„Dit materiaal heeft een 10 keer hogere thermische geleidbaarheid dan silicium,“ zei Liao. Dit vermogen om warmte te geleiden – en af ​​te geven – is vooral belangrijk omdat elektronische componenten kleiner en dichter op elkaar worden gepakt, en de gebundelde warmte de prestaties van de apparaten bedreigt, legde hij uit.

„Naarmate je mobiele telefoons krachtiger worden, wil je de warmte kunnen afvoeren, anders heb je efficiëntie- en veiligheidsproblemen“, zei hij. „Thermisch beheer is een uitdaging geweest voor veel micro-elektronische apparaten.“

Wat leidt tot de hoge thermische geleidbaarheid van dit materiaal, zo blijkt, kan ook leiden tot interessante transporteigenschappen van fotodragers, dat zijn de ladingen die worden opgewekt door licht, bijvoorbeeld in een zonnecel. Indien experimenteel geverifieerd, zou dit erop wijzen dat kubisch boorarsenide ook een veelbelovend materiaal kan zijn voor fotovoltaïsche en lichtdetectietoepassingen. Directe meting van fotodragertransport in kubisch boorarsenide was echter een uitdaging vanwege de kleine omvang van beschikbare hoogwaardige monsters.

De studie van het onderzoeksteam combineert twee prestaties: de kristalgroeivaardigheden van het team van de Universiteit van Houston en de beeldvorming bij UC Santa Barbara. Door de mogelijkheden van de scanning-elektronenmicroscoop en femtoseconde ultrasnelle lasers te combineren, bouwde het UCSB-team wat in wezen een extreem snelle camera met een uitzonderlijk hoge resolutie is.

„Elektronenmicroscopen hebben een zeer goede ruimtelijke resolutie – ze kunnen afzonderlijke atomen oplossen met hun ruimtelijke resolutie van sub-nanometer – maar ze zijn meestal erg traag“, zei Liao, en merkte op dat ze hierdoor uitstekend geschikt zijn voor het vastleggen van statische afbeeldingen.

„Met onze techniek koppelen we deze zeer hoge ruimtelijke resolutie aan een ultrasnelle laser, die fungeert als een zeer snelle sluiter, voor een extreem hoge tijdsresolutie“, vervolgt Liao. „We hebben het over één picoseconde – een miljoenste van een miljoenste van een seconde. Dus we kunnen films maken van deze microscopische energie- en ladingstransportprocessen.“ Oorspronkelijk uitgevonden bij Caltech, werd de methode verder ontwikkeld en verbeterd bij UCSB vanaf nul en is nu de enige operationele SUEM-opstelling aan een Amerikaanse universiteit.

„Wat er gebeurt, is dat we één puls van deze laser hebben die het monster opwindt“, legt afgestudeerde student-onderzoeker Usama Choudhry, de hoofdauteur van de Matter-paper, uit. „Je kunt het zien als een belletje rinkelen; het is een hard geluid dat langzaam afneemt na verloop van tijd.“ Terwijl ze „aanbellen“, legde hij uit, wordt een tweede laserpuls gefocusseerd op een fotokathode („elektronenkanon“) om een ​​korte elektronenpuls te genereren om het monster af te beelden. Vervolgens scannen ze de elektronenpuls in de loop van de tijd om een ​​volledig beeld van de ring te krijgen. „Alleen al door veel van deze scans te maken, kun je een film krijgen van hoe de elektronen en gaten opgewonden raken en uiteindelijk weer normaal worden“, zei hij.

Een van de dingen die ze observeerden terwijl ze hun monster bekrachtigden en zagen hoe de elektronen terugkeerden naar hun oorspronkelijke staat, is hoe lang de „hete“ elektronen aanhouden.

„We ontdekten verrassend genoeg dat de ‚hete‘ elektronen die door licht in dit materiaal worden geëxciteerd, veel langer kunnen aanhouden dan in conventionele halfgeleiders,“ zei Liao. Deze „hete“ dragers bleken meer dan 200 picoseconden aan te houden, een eigenschap die verband houdt met dezelfde functie die verantwoordelijk is voor de hoge thermische geleidbaarheid van het materiaal. Dit vermogen om „hete“ elektronen voor aanzienlijk langere tijd te hosten, heeft belangrijke implicaties.

„Als je bijvoorbeeld de elektronen in een typische zonnecel met licht prikkelt, heeft niet elk elektron dezelfde hoeveelheid energie“, legt Choudhry uit. „De hoogenergetische elektronen hebben een zeer korte levensduur en de laagenergetische elektronen hebben een zeer lange levensduur.“ Als het gaat om het oogsten van de energie van een typische zonnecel, vervolgde hij, worden alleen de laagenergetische elektronen efficiënt verzameld; de high-energy degenen hebben de neiging om hun energie snel als warmte te verliezen. Vanwege de persistentie van de hoge-energiedragers, als dit materiaal als zonnecel zou worden gebruikt, zou er efficiënt meer energie uit kunnen worden geoogst.

Met boorarsenide dat silicium verslaat op drie relevante gebieden – ladingsmobiliteit, thermische geleidbaarheid en transporttijd van hete fotodragers – heeft het de potentie om het volgende ultramoderne materiaal in de elektronicawereld te worden. Het staat echter nog steeds voor aanzienlijke hindernissen – fabricage van hoogwaardige kristallen in grote hoeveelheden – voordat het kan concurreren met silicium, waarvan enorme hoeveelheden relatief goedkoop en met hoge kwaliteit kunnen worden vervaardigd. Maar Liao ziet niet al te veel problemen.

„Silicium is nu routinematig beschikbaar vanwege jarenlange investeringen; mensen begonnen silicium te ontwikkelen rond de jaren ’30 en ’40,“ zei hij. „Ik denk dat zodra mensen het potentieel van dit materiaal inzien, er meer moeite zal worden gedaan om manieren te vinden om het te laten groeien en gebruiken. UCSB is eigenlijk uniek gepositioneerd voor deze uitdaging met een sterke expertise in de ontwikkeling van halfgeleiders.“


Hebben onderzoekers de beste halfgeleider van allemaal gevonden?


Meer informatie:
Usama Choudhry et al, Aanhoudende hete dragerdiffusie in boorarsenide-eenkristallen afgebeeld met ultrasnelle elektronenmicroscopie, Er toe doen (2022). DOI: 10.1016/j.matt.2022.09.029

Aangeboden door University of California – Santa Barbara

Citaat: Met ultrasnelle scanning-elektronenmicroscopie onthullen onderzoekers de transporteigenschappen van hete fotodragers van kubisch boor (2022, 24 oktober), opgehaald op 25 oktober 2022 van https://phys.org/news/2022-10-scanning-ultrafast-electron-microscopy-unveil .html

Op dit document rust copyright. Afgezien van een eerlijke handel ten behoeve van eigen studie of onderzoek, mag niets worden gereproduceerd zonder schriftelijke toestemming. De inhoud wordt uitsluitend ter informatie verstrekt.

Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert