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    Desvelando un secreto de 140 años en física

    Los semiconductores son los componentes básicos de los dispositivos digitales. Las mejoras en la funcionalidad y el rendimiento de los semiconductores también están permitiendo aplicaciones de próxima generación de semiconductores para la informática. detección y conversión de energía. Sin embargo, los investigadores han luchado durante mucho tiempo con las limitaciones en su capacidad para comprender completamente las cargas electrónicas dentro de los dispositivos semiconductores y los materiales semiconductores avanzados. limitar la capacidad de los investigadores para impulsar nuevos avances.

    En un nuevo estudio de la revista Naturaleza , una colaboración liderada por IBM Research describe un avance emocionante en un misterio de la física de 140 años, uno que permite a los investigadores descubrir las características físicas de los semiconductores con mucho mayor detalle y ayudar en el desarrollo de materiales semiconductores nuevos y mejorados.

    Para comprender verdaderamente la física de los semiconductores, primero necesitamos conocer las propiedades fundamentales de los portadores de carga dentro de los materiales, si esas partículas son positivas o negativas, su velocidad bajo un campo eléctrico aplicado y qué tan densamente están empaquetados en el material. El físico Edwin Hall encontró una manera de determinar esas propiedades en 1879, cuando descubrió que un campo magnético desviaría el movimiento de cargas electrónicas dentro de un conductor y que la cantidad de desviación se puede medir como un voltaje perpendicular al flujo de carga como se muestra en la Fig. 1a. Este voltaje, conocido como voltaje Hall, desbloquea información esencial sobre los portadores de carga en un semiconductor, incluyendo si son electrones negativos o cuasi-partículas positivas llamadas "huecos, "qué tan rápido se mueven en un campo eléctrico o su" movilidad "(µ) y su densidad (n) dentro del semiconductor.

    Un secreto de 140 años

    Décadas después del descubrimiento de Hall, Los investigadores también reconocieron que pueden realizar la medición del efecto Hall con luz, que se denominan experimentos de Photo-Hall, como se muestra en la Fig. 1b. En tales experimentos, la iluminación de la luz genera múltiples portadores o pares de huecos de electrones en los semiconductores. Desafortunadamente, la comprensión del efecto Hall básico proporcionó información sobre el portador de carga dominante (o portador mayoritario). Los investigadores no pudieron extraer las propiedades de ambos portadores (los portadores mayoritarios y minoritarios) simultáneamente. Esta información es crucial para muchas aplicaciones que involucran luz, como células solares y otros dispositivos optoelectrónicos.

    El estudio de IBM Research en Naturaleza Desbloquea uno de los secretos del efecto Hall. Investigadores de KAIST (Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea), KRICT (Instituto de Investigación de Tecnología Química de Corea), Universidad de Duke, e IBM descubrió una nueva fórmula y técnica para extraer la información del operador mayoritario y minoritario, como la densidad y la movilidad, así como para obtener información adicional sobre la vida útil de los operadores, longitudes de difusión y el proceso de recombinación.

    Para ser más especifico, en el experimento de Photo-Hall, Ambos portadores contribuyen a cambios en la conductividad (σ) y el coeficiente de Hall (H, que es proporcional a la relación entre el voltaje Hall y el campo magnético). La información clave proviene de medir la conductividad y el coeficiente de Hall en función de la intensidad de la luz. Oculto en la trayectoria de la curva conductividad-coeficiente Hall (σ-H), revela una nueva información crucial:la diferencia de movilidad de ambos transportistas. Como se discutió en el documento, esta relación se puede expresar elegantemente como:Δµ =d (σ²H) / dσ

    Comenzando con una densidad de portadora mayoritaria conocida de la medición Hall tradicional en la oscuridad, los investigadores resolvieron la movilidad y densidad de portadores tanto mayoritarios como minoritarios en función de la intensidad de la luz. El equipo nombró a la nueva técnica de medición de Photo Hall con resolución de portador (CRPH). Con una intensidad de iluminación de luz conocida, la vida útil del portador se puede establecer de manera similar. Esta relación y las soluciones relacionadas se han ocultado durante casi siglo y medio, desde el descubrimiento del efecto Hall.

    Más allá de los avances en esta comprensión teórica, Los avances en las técnicas experimentales también son fundamentales para habilitar esta nueva técnica. La técnica requiere una medición de señal Hall limpia, lo que puede ser un desafío para los materiales donde la señal Hall es débil (por ejemplo, debido a la baja movilidad) o cuando hay señales adicionales no deseadas, como bajo una fuerte iluminación de luz. Para este propósito, es necesario realizar la medición de Hall con un campo magnético oscilante (ca). Como escuchar radio uno debe seleccionar la frecuencia de la estación deseada mientras rechaza todas las otras frecuencias que actúan como ruido. La técnica CRPH va un paso más allá y selecciona no solo la frecuencia deseada, sino también a la fase del campo magnético oscilante en una técnica llamada detección de bloqueo. Este concepto de medición AC Hall se conoce desde hace mucho tiempo, pero la técnica tradicional que usaba un sistema de bobina electromagnética para generar el campo magnético de CA era ineficaz.

    Un descubrimiento precursor

    Como ocurre a menudo en la ciencia, los avances en un área son provocados por descubrimientos en otra. En 2015, IBM Research informó de un fenómeno previamente desconocido en física relacionado con un nuevo efecto de confinamiento de campo magnético, apodado el efecto "camelback", que ocurre entre dos líneas de dipolos transversales cuando exceden una longitud crítica como se muestra en la Fig. 2a. El efecto es una característica clave que permite un nuevo tipo de trampa magnética natural, llamada trampa de línea dipolar paralela (PDL) como se muestra en la Fig. 2b. La trampa magnética PDL podría servir como una plataforma novedosa para diversas aplicaciones de sensores, como un medidor de inclinación y un sismómetro (sensor de terremotos). Estos novedosos sistemas de sensores junto con la tecnología de big data podrían abrir muchas aplicaciones nuevas y el equipo de investigación de IBM los está estudiando para desarrollar una plataforma de análisis de big data llamada IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS). que aloja una miríada de datos de sensores geoespaciales y de Internet de las cosas (IoT).

    El mismo elemento PDL tiene otra aplicación única. Cuando se gira, Sirve como un sistema ideal para que un experimento de Photo-Hall obtenga fuertes, Oscilación del campo magnético armónico puro y unidireccional (Fig. 2c). Más importante, el sistema proporciona un amplio espacio para permitir una gran iluminación de área sobre la muestra, que es fundamental en el experimento de Photo-Hall.

    El impacto

    La técnica de Photo-Hall recientemente desarrollada extrae una cantidad asombrosa de información de los semiconductores. En contraste con solo tres parámetros obtenidos en la medición de Hall clásica, esta nueva técnica produce hasta siete parámetros en cada intensidad de luz probada. Estos incluyen la movilidad tanto del electrón como del hueco; su densidad de portadores bajo luz; vida útil de la recombinación; y longitudes de difusión para el electrón, agujeros y tipo ambipolar. Todos estos pueden repetirse N veces (es decir, el número de ajustes de intensidad de luz utilizados en el experimento).

    Este nuevo descubrimiento y tecnología ayudará a impulsar los avances de los semiconductores en las tecnologías existentes y emergentes. Proporciona el conocimiento y las herramientas necesarias para extraer las características físicas de los materiales semiconductores con gran detalle. Por ejemplo, esto podría acelerar el desarrollo de la tecnología de semiconductores de próxima generación, como mejores células solares, mejores dispositivos optoelectrónicos y nuevos materiales y dispositivos para la tecnología de inteligencia artificial.

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