Συνδυάζοντας το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης με υπερμικρούς παλμούς λέιζερ, ερευνητές στις ΗΠΑ έδειξαν ότι το κυβικό αρσενίδιο του βορίου έχει μια σημαντική ιδιότητα που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία καλύτερων ηλιακών κυψελών και φωτοανιχνευτών. Usama Choudhry και συνάδελφοι στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα και στο Πανεπιστήμιο του Χιούστον χρησιμοποίησαν υπερταχεία ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SUEM) για να επιβεβαιώσουν ότι τα «καυτά» ηλεκτρόνια στο υλικό ημιαγωγών έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής – κάτι που θα μπορούσε να είναι χρήσιμο σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στα ηλεκτρονικά.
Μερικές φορές αποκαλούμενο «θαυματουργό υλικό», το κυβικό αρσενίδιο του βορίου είναι ένα ημιαγωγό υλικό με πολλές υποσχόμενες ιδιότητες που θα μπορούσαν να οδηγήσουν στην ευρεία εμπορική χρήση του. Είναι πολύ καλύτερος αγωγός θερμότητας από το πυρίτιο, επομένως θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που συσκευάζονται μαζί σε υψηλότερες πυκνότητες και λειτουργούν σε υψηλότερες συχνότητες. Το υλικό έχει κινητικότητα ηλεκτρονίων που είναι εφάμιλλη με το πυρίτιο, αλλά έχει πολύ μεγαλύτερη κινητικότητα οπών από το πυρίτιο – μια ιδιότητα που θα ήταν χρήσιμη στο σχεδιασμό ηλεκτρονικών συσκευών.
Τώρα, ο Choudhry και οι συνεργάτες του έχουν δείξει ότι το κυβικό αρσενίδιο του βορίου έχει μια άλλη χρήσιμη ιδιότητα: μακρόβια «καυτά» ηλεκτρόνια. Όταν το φως πέφτει σε έναν ημιαγωγό μπορεί να προκαλέσει τη διέγερση ηλεκτρονίων με μια σειρά ενεργειών. Τα ηλεκτρόνια χαμηλότερης ενέργειας μπορούν να παραμείνουν για αρκετό καιρό, ώστε να μπορούν να συλλεχθούν για να δημιουργήσουν ένα ηλεκτρικό ρεύμα – το οποίο είναι η βάση για τα ηλιακά κύτταρα και τους ανιχνευτές φωτός. Ωστόσο, στους περισσότερους ημιαγωγούς τα θερμά ηλεκτρόνια υψηλότερης ενέργειας έχουν πολύ μικρή διάρκεια ζωής και ως εκ τούτου χάνονται πριν μπορέσουν να συλλεχθούν.
Ζήσανε πολύ ζεστά ηλεκτρόνια
Οι υπολογισμοί που έγιναν το 2017 έδειξαν ότι τα θερμά ηλεκτρόνια έχουν σχετικά μεγάλη διάρκεια ζωής σε κυβικό αρσενίδιο βορίου. Ωστόσο, οι περιορισμοί στην κατασκευή και τη μελέτη κυβικών κρυστάλλων αρσενιδίου βορίου είχαν καταστήσει δύσκολη την επιβεβαίωση αυτής της πρόβλεψης.
Ο πρωταθλητής ημιαγωγός θα μπορούσε να αντικαταστήσει το πυρίτιο, λένε οι ερευνητές
Στη μελέτη τους, η ομάδα του Choudhry χρησιμοποίησε το SUEM, το οποίο συνδυάζει τη χρονική ανάλυση των υπερμικρών παλμών λέιζερ με τη χωρική ανάλυση της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης. Η τεχνική περιλαμβάνει τον διαχωρισμό του παλμού λέιζερ σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος του παλμού χρησιμοποιείται για τη διέγερση θερμών ηλεκτρονίων σε ένα υψηλής ποιότητας δείγμα κυβικού αρσενιδίου βορίου που κατασκευάστηκε από την ομάδα του Χιούστον. Μετά από μια προσεκτικά ελεγχόμενη καθυστέρηση, το δεύτερο μέρος του παλμού εστιάζεται σε μια φωτοκάθοδο. Αυτό δημιουργεί έναν παλμό ηλεκτρονίων μήκους μόλις λίγων picoseconds. Αυτός ο παλμός χρησιμοποιείται από ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο για να χαρακτηρίσει τα ηλεκτρόνια στο κυβικό αρσενίδιο του βορίου.
Αλλάζοντας την καθυστέρηση, η ομάδα θα μπορούσε να μετρήσει τη διάρκεια ζωής των γρήγορων ηλεκτρονίων στο δείγμα, αποκαλύπτοντας ότι επιμένουν για πάνω από 200 ps, που είναι πολύ περισσότερο από τους φορείς θερμού φορτίου στους περισσότερους ημιαγωγούς που χρησιμοποιούνται στα ηλιακά κύτταρα. Οι ερευνητές λένε ότι η μεγάλη διάρκεια ζωής υποδηλώνει ότι το κυβικό αρσενίδιο του βορίου θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή καλύτερων ηλιακών κυψελών, αλλά χρειάζεται πολύ περισσότερη δουλειά για τη βελτίωση των τεχνικών κατασκευής.
Η έρευνα περιγράφεται στο ύλη.
