Łącząc skaningową mikroskopię elektronową z ultrakrótkimi impulsami laserowymi, naukowcy z USA wykazali, że sześcienny arsenek boru ma ważną właściwość, którą można wykorzystać do stworzenia lepszych ogniw słonecznych i fotodetektorów. Osama Choudhry i współpracownicy z University of California, Santa Barbara i University of Houston wykorzystali skaningową ultraszybką mikroskopię elektronową (SUEM), aby potwierdzić, że „gorące” elektrony w materiale półprzewodnikowym mają długi czas życia – coś, co może być przydatne w szerokim zakresie zastosowań w elektronice.
Czasami nazywany „cudownym materiałem”, sześcienny arsenek boru jest materiałem półprzewodnikowym o kilku obiecujących właściwościach, które mogą doprowadzić do jego szerokiego zastosowania komercyjnego. Jest znacznie lepszym przewodnikiem ciepła niż krzem, więc można go używać do tworzenia układów scalonych, które są upakowane razem przy wyższych gęstościach i pracują z wyższymi częstotliwościami. Materiał ma ruchliwość elektronów dorównującą krzemowi, ale ma znacznie większą ruchliwość dziur niż krzem – właściwość, która przydałaby się przy projektowaniu urządzeń elektronicznych.
Teraz Choudhry i współpracownicy wykazali, że sześcienny arsenek boru ma jeszcze jedną użyteczną właściwość: długowieczne „gorące” elektrony. Kiedy światło pada na półprzewodnik, może powodować wzbudzenie elektronów o różnych energiach. Elektrony o niższej energii mogą utrzymywać się wystarczająco długo, aby można je było zebrać w celu wytworzenia prądu elektrycznego – który jest podstawą ogniw słonecznych i detektorów światła. Jednak w większości półprzewodników gorące elektrony o wyższej energii mają bardzo krótki czas życia i dlatego są tracone, zanim będą mogły zostać zebrane.
Długowieczne gorące elektrony
Obliczenia wykonane w 2017 roku sugerowały, że gorące elektrony mają stosunkowo długi czas życia w sześciennym arsenku boru. Jednak ograniczenia w wytwarzaniu i badaniu sześciennych kryształów arsenku boru utrudniły potwierdzenie tej prognozy.
Półprzewodniki Champion mogą zastąpić krzem, twierdzą naukowcy
W swoich badaniach zespół Choudhry'ego wykorzystał SUEM, który łączy rozdzielczość czasową ultrakrótkich impulsów laserowych z rozdzielczością przestrzenną skaningowej mikroskopii elektronowej. Technika polega na podzieleniu impulsu laserowego na dwie części. Pierwsza część impulsu jest wykorzystywana do wzbudzania gorących elektronów w wysokiej jakości próbce sześciennego arsenku boru, którą wykonał zespół z Houston. Po dokładnie kontrolowanym opóźnieniu druga część impulsu jest skupiana na fotokatodzie. Powoduje to wygenerowanie impulsu elektronowego o długości zaledwie kilku pikosekund. Ten impuls jest używany przez mikroskop elektronowy do charakteryzowania elektronów w sześciennym arsenku boru.
Zmieniając opóźnienie, zespół mógł zmierzyć czas życia szybkich elektronów w próbce, ujawniając, że utrzymują się one przez ponad 200 ps, czyli znacznie dłużej niż gorące nośniki ładunku w większości półprzewodników stosowanych w ogniwach słonecznych. Naukowcy twierdzą, że długa żywotność sugeruje, że sześcienny arsenek boru może być wykorzystany do produkcji lepszych ogniw słonecznych, ale potrzeba znacznie więcej pracy, aby ulepszyć techniki wytwarzania.
Badania opisano w Materia.
