Con la microscopia elettronica a scansione ultraveloce, i ricercatori svelano le proprietà di trasporto del fotoportante caldo del boro cubico

Con la microscopia elettronica a scansione ultraveloce, i ricercatori svelano le proprietà di trasporto del fotoportante caldo del boro cubicoMateria (2022). DOI: 10.1016/j.matt.2022.09.029″ width=”800″ height=”530″/>

Crediti: Importa (2022). DOI: 10.1016/j.matt.2022.09.029

In uno studio che conferma la sua promessa come materiale semiconduttore di prossima generazione, i ricercatori della UC Santa Barbara hanno visualizzato direttamente le proprietà di trasporto del fotocarrier dei singoli cristalli cubici di arseniuro di boro.

“Siamo stati in grado di visualizzare come si muove la carica nel nostro campione”, ha affermato Bolin Liao, assistente professore di ingegneria meccanica presso il College of Engineering. Utilizzando l’unica configurazione di microscopia elettronica a scansione ultraveloce (SUEM) in funzione presso un’università statunitense, lui e il suo team sono stati in grado di realizzare “filmati” dei processi di generazione e trasporto di una carica fotoeccitata in questo materiale semiconduttore III-V relativamente poco studiato , cui sono state recentemente riconosciute straordinarie proprietà elettriche e termiche. Nel processo, hanno trovato un’altra proprietà benefica che si aggiunge al potenziale del materiale come prossimo grande semiconduttore.

La loro ricerca, condotta in collaborazione con il gruppo del professore di fisica Zhifeng Ren presso l’Università di Houston, specializzato nella fabbricazione di cristalli singoli di alta qualità di arseniuro di boro cubico, appare sulla rivista Importa.

‘Suonare il campanello’

L’arseniuro di boro è considerato un potenziale candidato per sostituire il silicio, il materiale semiconduttore di base del mondo dei computer, grazie alle sue promettenti prestazioni. Per prima cosa, con una migliore mobilità della carica rispetto al silicio, conduce facilmente la corrente (elettroni e la loro controparte caricata positivamente, “buchi”). Tuttavia, a differenza del silicio, conduce facilmente il calore.

“Questo materiale ha in realtà una conduttività termica 10 volte superiore rispetto al silicio”, ha affermato Liao. Questa capacità di conduzione e rilascio del calore è particolarmente importante poiché i componenti elettronici diventano più piccoli e più densi e il calore accumulato minaccia le prestazioni dei dispositivi, ha spiegato.

“Man mano che i tuoi cellulari diventano più potenti, vuoi essere in grado di dissipare il calore, altrimenti hai problemi di efficienza e sicurezza”, ha detto. “La gestione termica è stata una sfida per molti dispositivi microelettronici”.

Ciò che dà origine all’elevata conduttività termica di questo materiale, si scopre, può anche portare a interessanti proprietà di trasporto dei fotocarrier, che sono le cariche eccitate dalla luce, ad esempio, in una cella solare. Se verificato sperimentalmente, ciò indicherebbe che l’arseniuro di boro cubico può anche essere un materiale promettente per applicazioni fotovoltaiche e di rilevamento della luce. La misurazione diretta del trasporto del fotocarrier nell’arseniuro di boro cubico, tuttavia, è stata impegnativa a causa delle ridotte dimensioni dei campioni di alta qualità disponibili.

Lo studio del team di ricerca combina due prodezze: le capacità di crescita dei cristalli del team dell’Università di Houston e l’abilità nell’imaging presso l’UC Santa Barbara. Combinando le capacità del microscopio elettronico a scansione e dei laser ultraveloci a femtosecondi, il team dell’UCSB ha costruito quella che è essenzialmente una fotocamera estremamente veloce ed eccezionalmente ad alta risoluzione.

“I microscopi elettronici hanno un’ottima risoluzione spaziale – possono risolvere singoli atomi con la loro risoluzione spaziale sub-nanometrica – ma in genere sono molto lenti”, ha detto Liao, notando che questo li rende eccellenti per acquisire immagini statiche.

“Con la nostra tecnica, abbiniamo questa altissima risoluzione spaziale con un laser ultraveloce, che funge da otturatore molto veloce, per una risoluzione temporale estremamente elevata”, ha continuato Liao. “Stiamo parlando di un picosecondo, un milionesimo di milionesimo di secondo. Quindi possiamo girare filmati di questi processi microscopici di trasporto di energia e carica”. Originariamente inventato al Caltech, il metodo è stato ulteriormente sviluppato e migliorato all’UCSB da zero e ora è l’unica configurazione SUEM operativa in un’università americana.

“Quello che succede è che abbiamo un impulso di questo laser che eccita il campione”, ha spiegato il ricercatore dottorando Usama Choudhry, l’autore principale del documento Matter. “Puoi pensarlo come suonare un campanello; è un rumore forte che diminuisce lentamente nel tempo.” Mentre “suonano il campanello”, ha spiegato, un secondo impulso laser viene focalizzato su un fotocatodo (“cannone elettronico”) per generare un breve impulso di elettroni per l’immagine del campione. Quindi scansionano l’impulso di elettroni nel tempo per ottenere un’immagine completa dell’anello. “Solo facendo molte di queste scansioni, puoi ottenere un filmato di come gli elettroni e le lacune si eccitano e alla fine tornano alla normalità”, ha detto.

Tra le cose che hanno osservato mentre eccitavano il loro campione e osservavano gli elettroni tornare al loro stato originale c’è per quanto tempo persistono gli elettroni “caldi”.

“Abbiamo scoperto, sorprendentemente, che gli elettroni ‘caldi’ eccitati dalla luce in questo materiale possono persistere per tempi molto più lunghi rispetto ai semiconduttori convenzionali”, ha detto Liao. Si è visto che questi vettori “caldi” persistevano per più di 200 picosecondi, una proprietà correlata alla stessa caratteristica responsabile dell’elevata conduttività termica del materiale. Questa capacità di ospitare elettroni “caldi” per periodi di tempo significativamente più lunghi ha importanti implicazioni.

“Ad esempio, quando si eccitano gli elettroni in una tipica cella solare con la luce, non tutti gli elettroni hanno la stessa quantità di energia”, ha spiegato Choudhry. “Gli elettroni ad alta energia hanno una vita molto breve e gli elettroni a bassa energia hanno una vita molto lunga”. quando si tratta di raccogliere l’energia da una tipica cella solare, ha continuato, solo gli elettroni a bassa energia vengono raccolti in modo efficiente; quelli ad alta energia tendono a perdere rapidamente la loro energia sotto forma di calore. A causa della persistenza dei vettori ad alta energia, se questo materiale fosse usato come cella solare, si potrebbe ricavare più energia da esso in modo efficiente.

Con l’arseniuro di boro che batte il silicio in tre aree rilevanti – mobilità della carica, conducibilità termica e tempo di trasporto del fotoportante caldo – ha il potenziale per diventare il prossimo materiale all’avanguardia nel mondo dell’elettronica. Tuttavia, deve ancora affrontare ostacoli significativi, la fabbricazione di cristalli di alta qualità in grandi quantità, prima di poter competere con il silicio, quantità del quale possono essere prodotte in modo relativamente economico e di alta qualità. Ma Liao non vede troppi problemi.

“Il silicio è ora regolarmente disponibile a causa di anni di investimenti; le persone hanno iniziato a sviluppare silicio intorno agli anni ’30 e ’40”, ha affermato. “Penso che una volta che le persone riconosceranno il potenziale di questo materiale, ci sarà uno sforzo maggiore per trovare modi per coltivarlo e utilizzarlo. UCSB è in realtà in una posizione unica per questa sfida con una forte esperienza nello sviluppo di semiconduttori”.


I ricercatori hanno trovato il miglior semiconduttore di tutti?


Maggiori informazioni:
Usama Choudhry et al, Diffusione del vettore caldo persistente in cristalli singoli di arseniuro di boro ripresi mediante microscopia elettronica ultraveloce, Importa (2022). DOI: 10.1016/j.matt.2022.09.029

Fornito dall’Università della California – Santa Barbara

Citazione: Con la microscopia elettronica a scansione ultraveloce, i ricercatori svelano le proprietà di trasporto della fotoportatrice calda di bor cubico (2022, 24 ottobre) recuperate il 25 ottobre 2022 da https://phys.org/news/2022-10-scanning-ultrafast-electron-microscopy-unveil .html

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