Los semiconductores en la electrónica moderna dependen de pequeñas cantidades de impurezas añadidas, llamadas dopantes, que alteran la capacidad del material para conducir electricidad. Si bien el papel de estos dopantes suele ser sencillo, no siempre es así. Los electrones de los dopantes en óxidos complejos pueden comportarse de manera significativamente diferente a los de los semiconductores convencionales, como el silicio.
Los investigadores que estudian lo que sucede en estos materiales generalmente se basan en la espectroscopía de fotoelectrones, que mide los electrones extraídos de los átomos por ondas de luz de alta energía. Sin embargo, esta técnica requiere que el átomo de interés esté presente en o por encima del uno por ciento del material para obtener una señal detectable. Los dopantes en muchos semiconductores están muy por debajo de esos niveles, lo que dificulta la adquisición de datos sobre ellos.
Un nuevo estudio publicado en Physical Review Materials utiliza espectroscopia de fotoemisión resonante basada en rayos X para observar electrones en óxido de titanio y estroncio ligeramente dopado sobre silicio (STO/Si). Los investigadores pudieron sondear e identificar las diferentes ubicaciones y energías de los electrones del dopante primario en STO/Si. El nivel de dopante estaba en milésimas de porcentaje, sustancialmente más bajo de lo que se puede estudiar usando espectroscopía fotoelectrónica convencional.
En el sistema STO/Si, los electrones "libres" y móviles pueden ser uno de tres tipos principales. Esto incluye aquellos dentro de la película STO del dopante STO primario, aquellos del dopante STO que quedan atrapados en la superficie de la película STO y aquellos que saltan del dopante de silicio al STO. En este nuevo trabajo, los investigadores pudieron ver diferencias entre los estados de los electrones dopantes en el STO.
En las capas STO estudiadas, el dopante no es un átomo nuevo añadido al material sino un átomo (oxígeno) que falta en el material. Estas vacantes de oxígeno dejan dos electrones que pueden conducir electricidad. Sin embargo, estos dos electrones también pueden interactuar fuertemente entre sí, creando una estructura electrónica más complicada.
Mediante espectroscopia de fotoemisión de rayos X resonantes, el equipo pudo sondear por separado los diferentes estados que contienen los electrones de las vacantes de oxígeno. El experimento fue diseñado para examinar únicamente las capas superiores del material, evitando las áreas más profundas donde residen los electrones dopantes del silicio. Esto crea una simplificación muy necesaria y permite a los investigadores centrarse específicamente en los electrones de las vacantes de oxígeno.
Los investigadores descubrieron que los electrones atrapados en la superficie tienen una energía sutilmente diferente a la de los electrones que se mueven libremente dentro del cuerpo del STO. Conocer el panorama energético ayuda a los investigadores a comprender cómo la captura de electrones en la superficie afecta la conductividad eléctrica general del STO.
"Este enfoque es increíblemente poderoso", dijo el autor principal Scott Chambers, miembro del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico. "Pudimos 'ver' los electrones atrapados en la superficie en STO/Si por primera vez. Espero que otros utilicen este enfoque para investigar diferentes semiconductores ligeramente dopados con estructuras electrónicas complejas".
El trabajo se realizó en colaboración con investigadores de la Universidad de Texas-Arlington y Diamond Light Source.
Más información: S. A. Chambers et al, Sondeo de las propiedades electrónicas de estados huecos cerca de la superficie de heterouniones n−SrTiO3−δ/i−Si(001) con alta sensibilidad, Materiales de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevMaterials.8.014602
Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
