Investigadores de la UC Santa Bárbara han obtenido la primera “película” de cargas eléctricas que viajan a través de la interfaz de dos materiales semiconductores diferentes. Utilizando técnicas de microscopía electrónica de barrido ultrarrápido (SUEM) desarrolladas en el laboratorio de Bolin Liao, el equipo de investigación ha observado el misterioso fenómeno directamente por primera vez.
Se han escrito muchos libros de texto sobre el proceso a partir de la teoría de los semiconductores, dijo Liao, profesor asociado de ingeniería mecánica. “Hay muchas mediciones indirectas”. La capacidad de visualizar cómo ocurre realmente este proceso permitirá a los científicos de materiales semiconductores comparar algunas de estas teorías y mediciones indirectas, añadió.
Publicado en investigación. Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
Carrera fotográfica ‘caliente’
Si alguna vez ha utilizado una célula solar, habrá visto fotoportadores en acción: la luz solar incide sobre un material semiconductor, excitando electrones en el material, que se mueven. Este movimiento de electrones y su separación de “huecos” con cargas opuestas produce una corriente que puede utilizarse para alimentar dispositivos eléctricos.
Sin embargo, estos fotoportadores pierden la mayor parte de su energía en picosegundos (billonésimas de segundo), por lo que la energía capturada por la energía fotovoltaica convencional es una fracción de la energía que estos fotoportadores retienen en su estado “caliente”, antes de que se enfríen y abandonen la mayoría de ellos. El exceso de energía como calor residual. Si bien su estado caliente tiene un gran potencial para cosas como la eficiencia energética, también presenta desafíos dentro de los materiales semiconductores, como el calor que puede afectar el rendimiento del dispositivo.
Como resultado, es importante tener una buena idea de cómo se comportan estos portadores calientes cuando pasan a través de diferentes materiales semiconductores y, en particular, cómo se transfieren en la interfaz de dos materiales diferentes: la heterounión. En el ámbito de los materiales semiconductores, las heterouniones influyen en la movilidad de los portadores de carga para una variedad de propósitos, desde la creación de láseres hasta energía fotovoltaica, sensores y fotocatálisis.
Para observar estos portadores calientes, Liao y su grupo centraron su SUEM en heterouniones de silicio y germanio fabricadas por colaboradores de UCLA, una combinación de materiales semiconductores comunes utilizados en campos como la fotovoltaica y las telecomunicaciones.
“Básicamente, estamos intentando añadir resolución temporal a los microscopios electrónicos”, dijo Liao.
La clave de su técnica de obtención de imágenes es el uso de pulsos láser ultrarrápidos que actúan como obturadores a escala de picosegundos mientras disparan un haz de electrones para escanear la superficie del material a través del cual viajan los fotoportadores calientes, excitados por un haz de bomba óptica. “De lo que estamos hablando es de eventos que suceden dentro de esta ventana de tiempo de picosegundos a nanosegundos”, dijo Liao.
“Lo realmente interesante de este trabajo es que pudimos visualizar cómo las cargas, una vez generadas, realmente se mueven a través de la unión”, continuó. Las imágenes resultantes muestran estos fotoportadores mientras se difunden de un material semiconductor a otro.
“Si se excitan cargas en regiones homogéneas de silicio o germanio, los portadores calientes se mueven muy rápidamente; inicialmente tienen velocidades muy altas debido a su alta temperatura”, explicó Liao. “Pero si se induce una carga cerca de la unión, una fracción de los portadores quedan realmente atrapados en el potencial de la unión, lo que los ralentiza”. Las cargas calientes atrapadas dan como resultado una movilidad reducida del operador, lo que puede afectar negativamente el rendimiento de los dispositivos que separan y recogen estas cargas calientes.
Liao señaló que esta carga atrapada en las heterouniones Si/Ge podía entenderse a partir de la teoría de los semiconductores, pero aun así era sorprendente observarlo directamente de forma experimental. “No esperábamos poder visualizar directamente este efecto”, dijo, añadiendo que es un fenómeno que algunos diseñadores de dispositivos semiconductores quieren abordar. “Este artículo realmente trata de demostrar el potencial de SUEM para, por ejemplo, estudiar dispositivos realistas”.
Esta nueva capacidad de observar realmente la actividad de fotoportadores calientes en heterouniones completa un círculo en la investigación de semiconductores en la UC Santa Bárbara. Introducido por el fallecido profesor de ingeniería de la UCSB, Herb Cromer, quien introdujo por primera vez el concepto de heteroestructuras en semiconductores en 1957, afirmando que “la interfaz es un dispositivo”, el concepto se ha utilizado en microchips, computadoras y se convirtió en la base de la tecnología de la información. . Cromer recibió el Premio Nobel de Física en 2000 “por el desarrollo de heteroestructuras de semiconductores utilizadas en optoelectrónica y alta velocidad”.
