Med skanning ultrarask elektronmikroskopi avslører forskere varme fotobærertransportegenskaper til kubisk bor

I en studie som bekrefter løftet som neste generasjons halvledermateriale, har forskere fra UC Santa Barbara direkte visualisert fotobærertransportegenskapene til kubiske borarsenid-enkelkrystaller.

“Vi var i stand til å visualisere hvordan ladningen beveger seg i prøven vår,” sa Bolin Liao, en assisterende professor i maskinteknikk ved College of Engineering. Ved å bruke det eneste oppsettet med ultrarask elektronmikroskopi (SUEM) som var i drift ved et amerikansk universitet, var han og teamet hans i stand til å lage “filmer” av genererings- og transportprosessene til en fotoeksitert ladning i dette relativt lite studerte III-V-halvledermaterialet , som nylig har blitt anerkjent for å ha ekstraordinære elektriske og termiske egenskaper. I prosessen fant de en annen fordelaktig egenskap som øker materialets potensiale som den neste store halvlederen.

Forskningen deres, utført i samarbeid med fysikkprofessor Zhifeng Rens gruppe ved University of Houston, som spesialiserer seg på å fremstille høykvalitets enkeltkrystaller av kubisk borarsenid, vises i tidsskriftet Saken.

“Ringer i bjella”

Borarsenid blir sett på som en potensiell kandidat til å erstatte silisium, datamaskinverdenens grunnleggende halvledermateriale, på grunn av dets lovende ytelse. For det første, med en forbedret ladningsmobilitet i forhold til silisium, leder den lett strøm (elektroner og deres positivt ladede motstykke, “hull”). Imidlertid, i motsetning til silisium, leder den også varme med letthet.

“Dette materialet har faktisk 10 ganger høyere termisk ledningsevne enn silisium,” sa Liao. Denne varmelednings- og frigjøringsevnen er spesielt viktig ettersom elektroniske komponenter blir mindre og tettere pakket, og samlet varme truer enhetenes ytelse, forklarte han.

“Når mobiltelefonene dine blir kraftigere, vil du være i stand til å spre varmen, ellers har du problemer med effektivitet og sikkerhet,” sa han. “Termisk styring har vært en utfordring for mange mikroelektroniske enheter.”

Det som gir opphav til den høye varmeledningsevnen til dette materialet, viser det seg, kan også føre til interessante transportegenskaper til fotobærere, som er ladningene som eksiteres av lys, for eksempel i en solcelle. Hvis eksperimentelt verifisert, vil dette indikere at kubisk borarsenid også kan være et lovende materiale for solcelle- og lysdeteksjonsapplikasjoner. Direkte måling av fotobærertransport i kubisk borarsenid har imidlertid vært utfordrende på grunn av den lille størrelsen på tilgjengelige prøver av høy kvalitet.

Forskergruppens studie kombinerer to bragder: krystallvekstferdighetene til University of Houston-teamet, og bildeevnen ved UC Santa Barbara. Ved å kombinere egenskapene til skanningselektronmikroskopet og femtosekund ultraraske lasere, bygde UCSB-teamet det som egentlig er et ekstremt raskt kamera med eksepsjonelt høy oppløsning.

“Elektronmikroskoper har veldig god romlig oppløsning – de kan løse enkeltatomer med sin romlige oppløsning på under-nanometer – men de er vanligvis veldig trege,” sa Liao og la merke til at dette gjør dem utmerket for å ta statiske bilder.

“Med vår teknikk kobler vi denne svært høye romlige oppløsningen med en ultrarask laser, som fungerer som en veldig rask lukker, for ekstremt høy tidsoppløsning,” fortsatte Liao. “Vi snakker om ett pikosekund – en milliondels milliondels sekund. Så vi kan lage filmer av disse mikroskopiske energi- og ladningstransportprosessene.” Opprinnelig oppfunnet ved Caltech, metoden ble videreutviklet og forbedret ved UCSB fra bunnen av og er nå det eneste operative SUEM-oppsettet ved et amerikansk universitet.

“Det som skjer er at vi har en puls av denne laseren som begeistrer prøven,” forklarte doktorgradsstudentforsker Usama Choudhry, hovedforfatteren av Matter-artikkelen. “Du kan tenke på det som å ringe en bjelle; det er en høy lyd som sakte avtar over tid.” Mens de “ringer i klokken,” forklarte han, fokuseres en andre laserpuls på en fotokatode (“elektronpistol”) for å generere en kort elektronpuls for å avbilde prøven. De skanner deretter elektronpulsen over tid for å få et fullstendig bilde av ringen. “Bare ved å ta mange av disse skanningene, kan du få en film av hvordan elektronene og hullene blir opphisset og til slutt går tilbake til det normale,” sa han.

Blant tingene de observerte mens de spennende prøven deres og så elektronene gå tilbake til sin opprinnelige tilstand, er hvor lenge de “varme” elektronene vedvarer.

“Vi fant overraskende at de “varme” elektronene som eksiteres av lys i dette materialet kan vedvare i mye lengre tid enn i konvensjonelle halvledere,” sa Liao. Disse “varme” bærerne ble sett å vedvare i mer enn 200 pikosekunder, en egenskap som er relatert til den samme egenskapen som er ansvarlig for materialets høye varmeledningsevne. Denne evnen til å være vert for “varme” elektroner i betydelig lenger tid tid har viktige implikasjoner.

“For eksempel, når du begeistrer elektronene i en typisk solcelle med lys, har ikke hvert elektron samme mengde energi,” forklarte Choudhry. “Høyenergielektronene har veldig kort levetid, og lavenergielektronene har veldig lang levetid.” Når det gjelder å høste energien fra en typisk solcelle, fortsatte han, bare lavenergielektronene samles effektivt inn; de høyenergiske har en tendens til å miste energien raskt som varme. På grunn av utholdenheten til høyenergibærerne, hvis dette materialet ble brukt som en solcelle, kunne mer energi effektivt høstes fra det.

Med borarsenid som slår silisium på tre relevante områder – ladningsmobilitet, termisk ledningsevne og transporttid for varme fotobærere – har det potensialet til å bli elektronikkverdenens neste toppmoderne materiale. Imidlertid står den fortsatt overfor betydelige hindringer – fremstilling av høykvalitetskrystaller i store mengder – før den kan konkurrere med silisium, som enorme mengder kan produseres relativt billig og med høy kvalitet. Men Liao ser ikke så store problemer.

“Silisium er nå rutinemessig tilgjengelig på grunn av mange års investeringer; folk begynte å utvikle silisium rundt 1930- og 40-tallet,” sa han. “Jeg tror at når folk først anerkjenner potensialet til dette materialet, vil det bli lagt mer arbeid i å finne måter å vokse og bruke det på. UCSB er faktisk unikt posisjonert for denne utfordringen med sterk ekspertise innen halvlederutvikling.”

---

---