"Мы смогли визуализировать, как движется заряд в нашем образце", - сказал Болин Ляо, доцент кафедры машиностроения в инженерном колледже. Используя единственную установку сканирующей сверхбыстрой электронной микроскопии (SUEM), действующую в университете США, он и его команда смогли снять "фильмы" о процессах генерации и переноса фотовозбужденного заряда в этом относительно малоизученном полупроводниковом материале III-V, который недавно был признан обладающим исключительными электрическими свойствами. и тепловые свойства. В процессе они обнаружили еще одно полезное свойство, которое увеличивает потенциал материала как следующего великого полупроводника.

Их исследование, проведенное в сотрудничестве с группой профессора физики Чжифэн Рена из Хьюстонского университета, которые специализируются на изготовлении высококачественных монокристаллов кубического арсенида бора, опубликовано в журнале Иметь значение.

"Звоню в колокол"

Арсенид бора рассматривается как потенциальный кандидат на замену кремния, основного полупроводникового материала в компьютерном мире, из-за его многообещающих характеристик. Во-первых, обладая улучшенной подвижностью заряда по сравнению с кремнием, он легко проводит ток (электроны и их положительно заряженные аналоги, "дырки"). Однако, в отличие от кремния, он также легко проводит тепло.

"Этот материал на самом деле обладает в 10 раз более высокой теплопроводностью, чем кремний", - сказал Ляо. Эта способность проводить и выделять тепло особенно важна, поскольку электронные компоненты становятся меньше и более плотно упакованы, а накопленное тепло угрожает производительности устройств, объяснил он.

"По мере того как ваши мобильные телефоны становятся все более мощными, вы хотите иметь возможность рассеивать тепло, в противном случае у вас возникают проблемы с эффективностью и безопасностью", - сказал он. "Управление температурой было проблемой для многих микроэлектронных устройств".

Оказывается, то, что приводит к высокой теплопроводности этого материала, может также привести к интересным транспортным свойствам фотоносителей, которые представляют собой заряды, возбуждаемые светом, например, в солнечном элементе. Если это будет подтверждено экспериментально, это будет означать, что кубический арсенид бора также может быть многообещающим материалом для фотоэлектрических систем и систем обнаружения света. Однако прямое измерение переноса фотоносителя в кубическом арсениде бора было сложной задачей из-за небольшого размера доступных высококачественных образцов.

Исследование исследовательской группы сочетает в себе два подвига: навыки выращивания кристаллов команды Хьюстонского университета и мастерство визуализации в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. Объединив возможности сканирующего электронного микроскопа и фемтосекундных сверхбыстрых лазеров, команда UCSB создала, по сути, чрезвычайно быструю камеру с исключительно высоким разрешением.

"Электронные микроскопы имеют очень хорошее пространственное разрешение - они могут разрешать отдельные атомы с их субнанометровым пространственным разрешением - но они, как правило, очень медленные", - сказал Ляо, отметив, что это делает их превосходными для получения статических изображений.

"С помощью нашей техники мы соединяем это очень высокое пространственное разрешение со сверхбыстрым лазером, который действует как очень быстрый затвор, для получения чрезвычайно высокого разрешения по времени", - продолжил Ляо. "Мы говорим об одной пикосекунде - миллионной доли миллионной секунды. Таким образом, мы можем снимать фильмы об этих микроскопических процессах переноса энергии и заряда". Первоначально изобретенный в Калифорнийском технологическом институте, этот метод был дополнительно разработан и усовершенствован в UCSB с нуля и в настоящее время является единственной действующей установкой SUEM в американском университете.

"Происходит то, что у нас есть один импульс этого лазера, который возбуждает образец", - объяснил аспирант-исследователь Усама Чоудри, ведущий автор статьи Matter. "Вы можете думать об этом как о звонке в колокол; это громкий шум, который со временем постепенно стихает". Когда они "звонят в колокол", объяснил он, второй лазерный импульс фокусируется на фотокатоде ("электронная пушка"), чтобы генерировать короткий электронный импульс для получения изображения образца. Затем они сканируют электронный импульс с течением времени, чтобы получить полную картину кольца. "Просто сделав много таких снимков, вы можете получить видеозапись того, как электроны и дырки возбуждаются и в конечном итоге возвращаются к нормальному состоянию", - сказал он.

Среди вещей, которые они наблюдали, возбуждая свой образец и наблюдая, как электроны возвращаются в исходное состояние, - это то, как долго сохраняются "горячие" электроны.

"Удивительно, но мы обнаружили, что "горячие" электроны, возбуждаемые светом в этом материале, могут сохраняться гораздо дольше, чем в обычных полупроводниках", - сказал Ляо. Было замечено, что эти "горячие" носители сохраняются более 200 пикосекунд, что связано с той же особенностью, которая отвечает за высокую теплопроводность материала. Эта способность удерживать "горячие" электроны в течение значительно более длительного периода времени имеет важные последствия.

"Например, когда вы возбуждаете электроны в типичном солнечном элементе светом, не каждый электрон обладает одинаковым количеством энергии", - объяснил Чоудри. "Электроны с высокой энергией имеют очень короткое время жизни, а электроны с низкой энергией имеют очень долгое время жизни". Когда дело доходит до сбора энергии из типичного солнечного элемента, продолжил он, эффективно собираются только электроны с низкой энергией; электроны с высокой энергией, как правило, быстро теряют свою энергию в виде тепла. Из-за стойкости носителей высокой энергии, если бы этот материал использовался в качестве солнечного элемента, из него можно было бы эффективно извлекать больше энергии.

Благодаря тому, что арсенид бора превосходит кремний в трех важных областях - подвижности заряда, теплопроводности и времени переноса горячих фотоносителей - у него есть потенциал стать следующим современным материалом в мире электроники. Однако он все еще сталкивается со значительными препятствиями - изготовлением высококачественных кристаллов в больших количествах - прежде чем сможет конкурировать с кремнием, огромные количества которого могут быть изготовлены относительно дешево и с высоким качеством. Но Ляо не видит в этом особой проблемы.

"Кремний теперь доступен в обычном режиме благодаря многолетним инвестициям; люди начали разрабатывать кремний примерно в 1930-40-х годах", - сказал он. "Я думаю, как только люди осознают потенциал этого материала, они приложат больше усилий для поиска способов его выращивания и использования. UCSB на самом деле обладает уникальными возможностями для решения этой задачи, обладая большим опытом в области разработки полупроводников".

Работа, проведенная в UCSB, была частично поддержана Министерством энергетики США, Управлением фундаментальных энергетических наук, под номером награды DE-SC0019244 за разработку SUEM, и Исследовательским управлением армии США под номером награды W911NF-19-1-0060 для изучения динамики фотоносителей в новых материалах. Выращивание кристаллов арсенида бора в Хьюстонском университете было поддержано Управлением военно-морских исследований США под номером награды N00014-16-1-2436 .