Ved at kombinere scanningselektronmikroskopi med ultrakorte laserimpulser har forskere i USA vist, at kubisk borarsenid har en vigtig egenskab, som kunne bruges til at skabe bedre solceller og fotodetektorer. Usama Choudhry og kolleger ved University of California, Santa Barbara og University of Houston brugte scanning ultrahurtig elektronmikroskopi (SUEM) til at bekræfte, at "varme" elektroner i halvledermaterialet har lang levetid - noget, der kunne være nyttigt i en lang række anvendelser i elektronik.
Nogle gange kaldet et "vidundermateriale", er kubisk borarsenid et halvledermateriale med flere lovende egenskaber, der kan føre til dets udbredte kommercielle anvendelse. Det er en meget bedre varmeleder end silicium, så det kan bruges til at skabe integrerede kredsløb, der er pakket sammen ved højere tætheder og kører ved højere frekvenser. Materialet har en elektronmobilitet, der er på niveau med silicium, men det har en meget højere hulmobilitet end silicium - en egenskab, der ville være nyttig til at designe elektroniske enheder.
Nu har Choudhry og kolleger vist, at kubisk borarsenid har en anden nyttig egenskab: langlivede "varme" elektroner. Når lys falder på en halvleder, kan det forårsage excitation af elektroner med en række energier. De lavere energielektroner kan bestå længe nok, så de kan opsamles til at skabe en elektrisk strøm - som er grundlaget for solceller og lysdetektorer. Men i de fleste halvledere har de varmeelektroner med højere energi meget kort levetid og går derfor tabt, før de kan opsamles.
Længe levede varme elektroner
Beregninger udført i 2017 antydede, at varme elektroner har relativt lang levetid i kubisk borarsenid. Begrænsninger i fremstilling og undersøgelse af kubiske borarsenidkrystaller havde imidlertid gjort det vanskeligt at bekræfte denne forudsigelse.
Champion halvleder kunne erstatte silicium, siger forskere
I deres undersøgelse brugte Choudhrys team SUEM, som kombinerer den tidsmæssige opløsning af ultrakorte laserimpulser med den rumlige opløsning af scanningselektronmikroskopi. Teknikken går ud på at dele laserpulsen op i to dele. Den første del af pulsen bruges til at excitere varme elektroner i en højkvalitetsprøve af kubisk borarsenid, som blev lavet af Houston-teamet. Efter en nøje styret forsinkelse fokuseres den anden del af pulsen på en fotokatode. Dette genererer en elektronimpuls, der kun er et par picosekunder lang. Denne puls bruges af et elektronmikroskop til at karakterisere elektronerne i det kubiske borarsenid.
Ved at ændre forsinkelsen kunne holdet måle levetiden for de hurtige elektroner i prøven, og afsløre, at de vedvarer i over 200 ps, hvilket er langt længere end de varme ladningsbærere i de fleste halvledere, der bruges i solceller. Forskerne siger, at den lange levetid tyder på, at kubisk borarsenid kunne bruges til at lave bedre solceller, men der er behov for meget mere arbejde for at forbedre fremstillingsteknikker.
Forskningen er beskrevet i Matter.
