Физики впервые наблюдали за движением зарядов на границе полупроводников.

Используя новую методику сканирующей электронной микроскопии, исследователи получили возможность наблюдать за движением носителей заряда в полупроводниковом гетеропереходе. Это позволило впервые зафиксировать процессы, которые ранее предсказывались теоретическими моделями полупроводников.

Солнечные батареи функционируют благодаря генерации фотозарядов под воздействием солнечного излучения: свет, попадая на полупроводниковый материал, передает фотонам электронам энергию, что приводит к их возбуждению и движению. Перемещение электронов и отделение от положительно заряженных «дырок» приводит к формированию электрического тока, который может использоваться для питания электронных устройств.

Фотоэлектроны в полупроводнике очень быстро, за триллионные доли секунды, рассеивают большую часть своей энергии. В результате фотоэлементы вырабатывают лишь часть энергии, заключенной в зарядах в их первоначальном, «горячем» состоянии, поскольку до «охлаждения» – потери избыточной энергии в виде тепла – она теряется.

Читайте также:  В Красноярском крае составили энергетическую карту региона

Чтобы понять поведение этих «горячих» зарядов при движении, исследователям необходимо изучать их взаимодействие с различными полупроводниковыми материалами, в особенности — с границами между ними, так называемыми гетеропереходами. Гетеропереходы в полупроводниковых устройствах используют везде, от лазеров до сенсоров.

На этот раз ученые сосредоточились на гетеропереходе между кремнием и германием, часто используемым в полупроводниковой электронике. Они смогли визуализировать перенос зарядов через гетеропереход из одного полупроводникового материала в другой сразу после генерации.

Их методика визуализации основана на применении ультрабыстрых лазерных импульсов, которые выступают в роли затвора для пучка электронов. Этот пучок сканирует поверхность материала, создавая «горячие» фотозаряды. Каждый лазерный импульс позволяет получить два изображения исследуемого образца, а микроскоп способен создавать до триллиона изображений в секунду, которые впоследствии могут быть объединены в видео.

Читайте также:  Майорановские фермионы: от теории к практическому применению

Возбуждение зарядов в однородных областях кремния или германия приводит к быстрому перемещению «горячих» зарядов. Однако, при возбуждении заряда вблизи гетероперехода, часть зарядов будет захвачена, что замедлит изменение потенциала границы. Захват «горячих» зарядов приводит к уменьшению их подвижности, что может оказать неблагоприятное воздействие на работу устройства, содержащего гетеропереход.

Процесс накопления зарядов на границе раздела кремния и германия можно объяснить теорией полупроводников, но прямое экспериментальное наблюдение оказалось неожиданностью для ученых. Наблюдение этого явления может стать важной деталью для проектирования полупроводниковых устройств.

Читайте также:  Ученые испытали лазер, не вредящий зрению

Практическая визуализация этого процесса даст ученым, изучающим полупроводниковые материалы, возможность проверять выдвинутые ими теории и подтверждать результаты непрямых измерений.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.