Ved å kombinere skanningselektronmikroskopi med ultrakorte laserpulser har forskere i USA vist at kubisk borarsenid har en viktig egenskap som kan brukes til å lage bedre solceller og fotodetektorer. Usama Choudhry og kolleger ved University of California, Santa Barbara og University of Houston brukte ultrarask elektronmikroskopi (SUEM) for å bekrefte at "varme" elektroner i halvledermaterialet har lang levetid - noe som kan være nyttig i en lang rekke bruksområder innen elektronikk.
Noen ganger kalt et "vidundermateriale", er kubisk borarsenid et halvledermateriale med flere lovende egenskaper som kan føre til utstrakt kommersiell bruk. Det er en mye bedre varmeleder enn silisium, så det kan brukes til å lage integrerte kretser som er pakket sammen med høyere tettheter og kjører med høyere frekvenser. Materialet har en elektronmobilitet som er på nivå med silisium, men det har en mye høyere hullmobilitet enn silisium – en egenskap som ville vært nyttig ved utforming av elektroniske enheter.
Nå har Choudhry og kolleger vist at kubisk borarsenid har en annen nyttig egenskap: langlivede "varme" elektroner. Når lys faller på en halvleder kan det forårsake eksitasjon av elektroner med en rekke energier. De lavere energielektronene kan vedvare lenge nok til at de kan samles opp for å skape en elektrisk strøm – som er grunnlaget for solceller og lysdetektorer. I de fleste halvledere har imidlertid de varmeelektronene med høyere energi svært kort levetid og går derfor tapt før de kan samles.
Lenge levde varme elektroner
Beregninger gjort i 2017 antydet at varme elektroner har relativt lang levetid i kubisk borarsenid. Imidlertid hadde begrensninger i fremstilling og studier av kubiske borarsenidkrystaller gjort det vanskelig å bekrefte denne spådommen.
Champion halvleder kan erstatte silisium, sier forskere
I studien deres brukte Choudhrys team SUEM, som kombinerer den tidsmessige oppløsningen til ultrakorte laserpulser med den romlige oppløsningen til skanningselektronmikroskopi. Teknikken går ut på å dele laserpulsen i to deler. Den første delen av pulsen brukes til å eksitere varme elektroner i en høykvalitetsprøve av kubisk borarsenid som ble laget av Houston-teamet. Etter en nøye kontrollert forsinkelse blir den andre delen av pulsen fokusert på en fotokatode. Dette genererer en elektronpuls som bare er noen få pikosekunder lang. Denne pulsen brukes av et elektronmikroskop for å karakterisere elektronene i det kubiske borarsenidet.
Ved å endre forsinkelsen kunne teamet måle levetiden til de raske elektronene i prøven, og avsløre at de vedvarer i over 200 ps, som er langt lenger enn de varme ladningsbærerne i de fleste halvledere som brukes i solceller. Forskerne sier at den lange levetiden antyder at kubisk borarsenid kan brukes til å lage bedre solceller, men mye mer arbeid er nødvendig for å forbedre fabrikasjonsteknikker.
Forskningen er beskrevet i Saken.
