من خلال الجمع بين الفحص المجهري الإلكتروني ونبضات الليزر فائقة القصر ، أظهر الباحثون في الولايات المتحدة أن زرنيخ البورون المكعب له خاصية مهمة يمكن استخدامها لإنشاء خلايا شمسية وأجهزة كشف ضوئية أفضل. أسامة شودري وزملاؤهم في جامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا ، وجامعة هيوستن استخدموا المسح المجهري الإلكتروني فائق السرعة (SUEM) للتأكد من أن الإلكترونات "الساخنة" في مادة أشباه الموصلات لها عمر طويل - وهو شيء يمكن أن يكون مفيدًا في مجموعة واسعة من التطبيقات في الإلكترونيات.
يُطلق على زرنيخ البورون المكعب أحيانًا اسم "مادة عجيبة" ، وهو مادة شبه موصلة لها العديد من الخصائص الواعدة التي يمكن أن تؤدي إلى استخدامها التجاري على نطاق واسع. إنه موصل للحرارة أفضل بكثير من السيليكون ، لذلك يمكن استخدامه لإنشاء دوائر متكاملة معبأة معًا بكثافات أعلى وتعمل بترددات أعلى. تحتوي المادة على قابلية تنقل إلكترونية تعادل السيليكون ، لكنها تتمتع بقدرة أكبر على التنقل في الثقوب مقارنة بالسيليكون - وهي خاصية قد تكون مفيدة في تصميم الأجهزة الإلكترونية.
الآن ، أظهر شودري وزملاؤه أن لزرنيخ البورون المكعب خاصية مفيدة أخرى: الإلكترونات "الساخنة" طويلة العمر. عندما يسقط الضوء على أشباه الموصلات يمكن أن يتسبب في إثارة الإلكترونات بمجموعة من الطاقات. يمكن أن تستمر الإلكترونات منخفضة الطاقة لفترة كافية بحيث يمكن تجميعها لتوليد تيار كهربائي - وهو أساس الخلايا الشمسية وأجهزة الكشف عن الضوء. ومع ذلك ، في معظم أشباه الموصلات ، تتمتع الإلكترونات الساخنة ذات الطاقة العالية بعمر قصير جدًا ، وبالتالي تُفقد قبل أن يتم جمعها.
عاشت الإلكترونات الساخنة لفترة طويلة
أشارت الحسابات التي أجريت في عام 2017 إلى أن للإلكترونات الساخنة عمرًا طويلًا نسبيًا في زرنيخيد البورون المكعب. ومع ذلك ، فإن القيود المفروضة على تصنيع ودراسة بلورات أرسينيد البورون المكعبة جعلت من الصعب تأكيد هذا التنبؤ.
يقول الباحثون إن بطل أشباه الموصلات يمكن أن يحل محل السيليكون
استخدم فريق شودري في دراستهم تقنية SUEM ، والتي تجمع بين الدقة الزمنية لنبضات الليزر فائقة القصر والدقة المكانية للفحص المجهري الإلكتروني. تتضمن التقنية تقسيم نبضة الليزر إلى قسمين. يستخدم الجزء الأول من النبضة لإثارة الإلكترونات الساخنة في عينة عالية الجودة من زرنيخ البورون المكعب الذي صنعه فريق هيوستن. بعد تأخير يتم التحكم فيه بعناية ، يتم تركيز الجزء الثاني من النبضة على مسار ضوئي. هذا يولد نبضًا إلكترونيًا يبلغ طوله بضع بيكو ثانية. يتم استخدام هذه النبضة بواسطة المجهر الإلكتروني لوصف الإلكترونات في مكعب زرنيخيد البورون.
من خلال تغيير التأخير ، يمكن للفريق قياس عمر الإلكترونات السريعة في العينة ، وكشف عن استمرارها لأكثر من 200 ps ، وهو أطول بكثير من حاملات الشحنة الساخنة في معظم أشباه الموصلات المستخدمة في الخلايا الشمسية. يقول الباحثون إن العمر الطويل يشير إلى إمكانية استخدام زرنيخيد البورون المكعب لصنع خلايا شمسية أفضل ، ولكن هناك حاجة إلى مزيد من العمل لتحسين تقنيات التصنيع.
تم وصف البحث في أمر.
