Door scanning-elektronenmicroscopie te combineren met ultrakorte laserpulsen, hebben onderzoekers in de VS aangetoond dat kubisch boorarsenide een belangrijke eigenschap heeft die kan worden gebruikt om betere zonnecellen en fotodetectoren te maken. Usama Choudhry en collega's van de Universiteit van Californië, Santa Barbara en de Universiteit van Houston gebruikten ultrasnelle elektronenmicroscopie (SUEM) om te bevestigen dat "hete" elektronen in het halfgeleidermateriaal een lange levensduur hebben - iets dat nuttig zou kunnen zijn in een breed scala aan toepassingen bij elektronica.
Kubisch boorarsenide, dat soms een "wondermateriaal" wordt genoemd, is een halfgeleidermateriaal met verschillende veelbelovende eigenschappen die kunnen leiden tot wijdverbreid commercieel gebruik. Het is een veel betere warmtegeleider dan silicium, dus het zou kunnen worden gebruikt om geïntegreerde schakelingen te maken die met hogere dichtheden zijn samengepakt en op hogere frequenties werken. Het materiaal heeft een elektronenmobiliteit die vergelijkbaar is met silicium, maar het heeft een veel hogere gatenmobiliteit dan silicium - een eigenschap die nuttig zou zijn bij het ontwerpen van elektronische apparaten.
Nu hebben Choudhry en collega's aangetoond dat kubisch boorarsenide nog een andere nuttige eigenschap heeft: langlevende "hete" elektronen. Wanneer licht op een halfgeleider valt, kan dit de excitatie van elektronen met verschillende energieën veroorzaken. De elektronen met lagere energie kunnen lang genoeg blijven bestaan, zodat ze kunnen worden verzameld om een elektrische stroom te creëren - wat de basis is voor zonnecellen en lichtdetectoren. In de meeste halfgeleiders hebben de hete elektronen met hogere energie echter een zeer korte levensduur en gaan daarom verloren voordat ze kunnen worden verzameld.
Langlevende hete elektronen
Berekeningen uit 2017 suggereerden dat hete elektronen een relatief lange levensduur hebben in kubisch boorarsenide. Beperkingen bij het fabriceren en bestuderen van kubische boorarsenidekristallen hadden het echter moeilijk gemaakt om deze voorspelling te bevestigen.
Kampioen halfgeleider zou silicium kunnen vervangen, zeggen onderzoekers
In hun studie gebruikte het team van Choudhry SUEM, dat de temporele resolutie van ultrakorte laserpulsen combineert met de ruimtelijke resolutie van scanning-elektronenmicroscopie. De techniek omvat het splitsen van de laserpuls in twee delen. Het eerste deel van de puls wordt gebruikt om hete elektronen op te wekken in een hoogwaardig monster van kubisch boorarsenide dat is gemaakt door het Houston-team. Na een zorgvuldig gecontroleerde vertraging wordt het tweede deel van de puls gefocusseerd op een fotokathode. Dit genereert een elektronenpuls die slechts enkele picoseconden lang is. Deze puls wordt door een elektronenmicroscoop gebruikt om de elektronen in het kubische boorarsenide te karakteriseren.
Door de vertraging te veranderen, kon het team de levensduur van de snelle elektronen in het monster meten, waaruit bleek dat ze meer dan 200 ps aanhouden, wat veel langer is dan de hete ladingsdragers in de meeste halfgeleiders die in zonnecellen worden gebruikt. De onderzoekers zeggen dat de lange levensduur suggereert dat kubisch boorarsenide kan worden gebruikt om betere zonnecellen te maken, maar dat er nog veel meer werk nodig is om de fabricagetechnieken te verbeteren.
Het onderzoek is beschreven in Materie.
