Los semiconductores están en el corazón de la mayoría de los dispositivos electrónicos que gobiernan nuestra vida diaria. El correcto funcionamiento de los dispositivos semiconductores se basa en sus campos eléctricos generados internamente. Medir estos campos a nanoescala es crucial para el desarrollo de la electrónica de próxima generación, pero las técnicas actuales están restringidas a las mediciones del campo eléctrico en la superficie de un semiconductor. Takayuki Iwasaki y un grupo de investigadores han informado sobre un nuevo método para detectar campos eléctricos internos en el interior de los dispositivos semiconductores en funcionamiento. La técnica aprovecha la respuesta de un espín de un solo electrón introducido artificialmente a las variaciones en su campo eléctrico circundante, y permitió a los investigadores estudiar un diodo semiconductor sujeto a voltajes de polarización de hasta 150 V.

Iwasaki y sus compañeros de trabajo aplicaron su método al diamante, un llamado semiconductor de banda ancha en el que los campos eléctricos pueden volverse muy fuertes, una propiedad importante para aplicaciones electrónicas de bajas pérdidas. Diamond se adapta fácilmente a los centros de vacantes de nitrógeno (NV), un tipo de defecto puntual que surge cuando dos átomos de carbono vecinos se eliminan de la red de diamante y uno de ellos es reemplazado por un átomo de nitrógeno. Los centros NV se pueden crear de forma rutinaria en diamante mediante implantación de iones. Un campo eléctrico cercano afecta el estado energético de un centro NV, que a su vez se puede probar mediante un método llamado resonancia magnética detectada ópticamente (ODMR).

Los investigadores primero fabricaron un diodo p-i-n de diamante (una capa de diamante intrínseca intercalada entre un electrón y una capa dopada con agujeros) incrustada con centros NV. Luego localizaron un centro NV en la mayor parte de la capa i, varios cientos de nanómetros de distancia de la interfaz, y registró su espectro ODMR para aumentar los voltajes de polarización. De estos espectros, Los valores del campo eléctrico se pueden obtener mediante fórmulas teóricas. Luego, los valores experimentales se compararon con los resultados numéricos obtenidos con un simulador de dispositivo y se encontró que estaban bien de acuerdo, lo que confirma el potencial de los centros NV como sensores locales de campo eléctrico.

Iwasaki y sus colegas explican que el valor determinado experimentalmente para el campo eléctrico alrededor de un centro NV dado es esencialmente el componente del campo perpendicular a la dirección del centro NV, alineado a lo largo de una de las cuatro direcciones posibles en la red de diamante. Razonan que una matriz regular de centros NV implantados debería permitir reconstruir el campo eléctrico con una resolución espacial de unos 10 nm mediante el uso de técnicas de superresolución. que son prometedores para estudiar dispositivos más complejos en estudios posteriores.

Los investigadores también señalan que la detección de campos eléctricos no solo es relevante para dispositivos electrónicos, pero también para aplicaciones electroquímicas:la eficiencia de las reacciones electroquímicas que tienen lugar entre un semiconductor y una solución depende del campo eléctrico interno del primero. Además, Iwasaki y sus colaboradores señalan que su enfoque no necesita estar restringido a los centros NV en el diamante; existen estructuras similares de espín de un solo electrón en otros semiconductores como el carburo de silicio, por ejemplo.

Semiconductores de banda ancha

Los materiales semiconductores presentan una llamada banda prohibida:un rango de energía en el que no existen niveles de energía accesibles. Para que un semiconductor conduzca, los electrones deben adquirir suficiente energía para superar la banda prohibida; El control de las transiciones electrónicas a través de la banda prohibida constituye la base de la acción de los dispositivos semiconductores. Los semiconductores típicos como el silicio o el arseniuro de galio tienen una banda prohibida del orden de 1 electrón voltio (eV). Semiconductores de banda ancha como el diamante o el carburo de silicio, tienen una banda prohibida más grande; valores tan altos como 3-5 eV no son infrecuentes.

Debido a su gran banda prohibida, Los semiconductores de banda ancha pueden funcionar a temperaturas superiores a 300 ° C. Además, pueden soportar altas tensiones y corrientes. Debido a estas propiedades, Los semiconductores de banda ancha tienen muchas aplicaciones, incluidos los diodos emisores de luz, transductores, dispositivos de energía alternativa y componentes de alta potencia. Para un mayor desarrollo de estas y otras aplicaciones futuras, es fundamental poder caracterizar los dispositivos de banda ancha en funcionamiento. La técnica propuesta por Iwasaki y sus colegas para medir el campo eléctrico generado en un semiconductor de banda ancha sujeta a grandes voltajes de polarización es, por lo tanto, un paso adelante crucial.

Centros de vacantes de nitrógeno

El diamante consta de átomos de carbono dispuestos en una red donde cada átomo tiene cuatro vecinos que forman un tetraedro. La celosía de diamantes es propensa a defectos; uno de esos defectos es el centro de vacantes de nitrógeno (NV), que se puede considerar como resultado de reemplazar un átomo de carbono con un átomo de nitrógeno y eliminar un átomo de carbono vecino. El nivel de energía de un centro NV se encuentra en la banda prohibida del diamante, pero es sensible a su entorno local. En particular, la denominada estructura hiperfina nuclear de un centro NV depende de su campo eléctrico circundante. Esta dependencia se entiende bien teóricamente, y fue explotado por Iwasaki y sus colaboradores:detectar cambios en la estructura hiperfina de un centro NV les permitió obtener valores para el campo eléctrico local. Una gran ventaja de este enfoque es que permite monitorear el campo dentro del material, no solo en la superficie, para los cuales ya se habían desarrollado métodos.

Resonancia magnética detectada ópticamente

Para sondear la estructura hiperfina nuclear de un centro NV en la mayor parte del dispositivo a base de diamante, Iwasaki y sus colegas emplearon resonancia magnética detectada ópticamente (ODMR):al irradiar la muestra con luz láser, el centro de NV estaba ópticamente emocionado, después de lo cual se pudo registrar el espectro de resonancia magnética. Un campo eléctrico hace que la resonancia ODMR se divida; el ancho de división detectado experimentalmente proporciona una medida del campo eléctrico.