Durch die Kombination von Rasterelektronenmikroskopie mit ultrakurzen Laserpulsen haben Forscher in den USA gezeigt, dass kubisches Borarsenid eine wichtige Eigenschaft hat, die zur Herstellung besserer Solarzellen und Photodetektoren genutzt werden könnte. Usama Choudhry und Kollegen an der University of California, Santa Barbara, und der University of Houston verwendeten Raster-Ultrakurzelektronenmikroskopie (SUEM), um zu bestätigen, dass „heiße“ Elektronen im Halbleitermaterial eine lange Lebensdauer haben – etwas, das in einer Vielzahl von Anwendungen nützlich sein könnte in der Elektronik.
Manchmal als „Wundermaterial“ bezeichnet, ist kubisches Borarsenid ein Halbleitermaterial mit mehreren vielversprechenden Eigenschaften, die zu einer weit verbreiteten kommerziellen Nutzung führen könnten. Es ist ein viel besserer Wärmeleiter als Silizium und könnte daher zur Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet werden, die mit höherer Dichte zusammengepackt sind und mit höheren Frequenzen betrieben werden. Das Material hat eine Elektronenmobilität, die der von Silizium ebenbürtig ist, aber eine viel höhere Lochmobilität als Silizium – eine Eigenschaft, die beim Design elektronischer Geräte nützlich wäre.
Jetzt haben Choudhry und Kollegen gezeigt, dass kubisches Borarsenid eine weitere nützliche Eigenschaft hat: langlebige „heiße“ Elektronen. Wenn Licht auf einen Halbleiter fällt, kann es die Anregung von Elektronen mit einer Reihe von Energien verursachen. Die niederenergetischen Elektronen können lange genug bestehen, um gesammelt zu werden, um einen elektrischen Strom zu erzeugen – was die Grundlage für Solarzellen und Lichtdetektoren ist. In den meisten Halbleitern haben die energiereicheren heißen Elektronen jedoch eine sehr kurze Lebensdauer und gehen daher verloren, bevor sie gesammelt werden können.
Langlebige heiße Elektronen
Berechnungen aus dem Jahr 2017 deuten darauf hin, dass heiße Elektronen in kubischem Borarsenid eine relativ lange Lebensdauer haben. Einschränkungen bei der Herstellung und Untersuchung von Kristallen aus kubischem Borarsenid machten es jedoch schwierig, diese Vorhersage zu bestätigen.
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In ihrer Studie nutzte Choudhrys Team SUEM, das die zeitliche Auflösung ultrakurzer Laserpulse mit der räumlichen Auflösung der Rasterelektronenmikroskopie kombiniert. Die Technik beinhaltet die Aufspaltung des Laserpulses in zwei Teile. Der erste Teil des Pulses wird verwendet, um heiße Elektronen in einer hochwertigen Probe von kubischem Borarsenid anzuregen, die vom Houston-Team hergestellt wurde. Nach einer sorgfältig kontrollierten Verzögerung wird der zweite Teil des Impulses auf eine Photokathode fokussiert. Dadurch wird ein Elektronenpuls erzeugt, der nur wenige Pikosekunden lang ist. Dieser Puls wird von einem Elektronenmikroskop verwendet, um die Elektronen im kubischen Borarsenid zu charakterisieren.
Durch Ändern der Verzögerung konnte das Team die Lebensdauer der schnellen Elektronen in der Probe messen und zeigte, dass sie über 200 ps bestehen bleiben, was weit länger ist als die heißen Ladungsträger in den meisten Halbleitern, die in Solarzellen verwendet werden. Die Forscher sagen, dass die lange Lebensdauer darauf hindeutet, dass kubisches Borarsenid zur Herstellung besserer Solarzellen verwendet werden könnte, aber es ist noch viel mehr Arbeit erforderlich, um die Herstellungstechniken zu verbessern.
Die Forschung ist beschrieben in Materie.
