14 parametre på én gang:Nyt instrument til optoelektronik

En HZB-fysiker har udviklet en ny metode til omfattende karakterisering af halvledere i en enkelt måling. "Constant Light-Induced Magneto-Transport (CLIMAT)" er baseret på Hall-effekten og tillader registrering af 14 forskellige parametre for transportegenskaber for negative og positive ladningsbærere.

Metoden er nu testet på tolv forskellige halvledermaterialer og vil spare værdifuld tid ved vurdering af nye materialer til optoelektroniske applikationer såsom solceller.

Solceller, transistorer, detektorer, sensorer og lysdioder har alle én ting til fælles:De er lavet af halvledermaterialer, hvis ladningsbærere kun frigives, når de rammes af lys (fotoner). Fotonerne slår elektroner (negative ladningsbærere) ud af deres baner, som bevæger sig gennem materialet, indtil de fanges igen efter en vis tid.

Samtidig skabes huller på de steder, hvor elektronerne mangler - disse huller opfører sig som positivt ladede ladningsbærere og er også vigtige for udførelsen af ​​den respektive applikation. Opførselen af ​​negative og positive ladningsbærere i halvledere adskiller sig ofte i størrelsesordener med hensyn til mobilitet, diffusionslængder og levetid.

Indtil nu har parametrene for transportegenskaberne skullet bestemmes separat for hver type ladning ved hjælp af forskellige målemetoder.

Enkeltmåling

Som en del af sit Maria Skłodowska Curie Postdoc-stipendium har HZB-fysiker Dr. Artem Musiienko nu udviklet en ny metode, der kan registrere alle 14 parametre for positive og negative ladningsbærere i en enkelt måling.

"Constant Light-Induced Magneto-Transport (CLIMAT)" bruger et magnetfelt lodret gennem prøven og en konstant lyskilde til ladningsadskillelse. Ladningsbærerne bevæger sig langs et elektrisk felt og afbøjes af magnetfeltet vinkelret på deres bevægelsesretning (Hall-effekt) i henhold til deres masse, mobilitet og andre egenskaber.

I alt 14 forskellige egenskaber kan bestemmes ud fra signalerne og især forskellene mellem de forskellige ladningsbæreres signaler, viste Musiienko med et pænt lille system af ligninger.

Positive og negative ladningsbærere

"CLIMAT giver således et omfattende indblik i ladningstransportens komplicerede mekanismer, både positive og negative ladningsbærere, med en enkelt måling. Dette gør os i stand til meget hurtigere at vurdere nye typer af halvledermaterialer, for eksempel for deres egnethed som solceller. eller til andre applikationer," siger Musiienko.

For at demonstrere den nye metodes brede anvendelighed har forskerhold ved HZB, University of Potsdam og andre institutioner i USA, Schweiz, Storbritannien og Ukraine nu brugt den til at karakterisere i alt tolv meget forskellige halvledermaterialer, bl.a. silicium, halogenidperovskitfilm, organiske halvledere såsom Y6, halvisolatorer, selvsamlede monolag og nanopartikler. Resultaterne er nu blevet offentliggjort i Nature Communications.

Uafhængige eksperter som professor Vitaly Podzorov fra Rutgers University, USA, tildelte CLIMAT-metoden 15 ud af 16 point i Nature Electronics og anser den nye metode for at være banebrydende.

CLIMAT eliminerer især mange af de trin, der tidligere krævedes til forskellige målinger, hvilket sparer værdifuld tid. I begyndelsen af ​​2024 blev CLIMAT-metoden godkendt til patentering af den europæiske patentmyndighed under nummeret EP23173681.0. "Der er i øjeblikket forhandlinger i gang med virksomheder om at licensere vores metode," siger Musiienko. Målet er en kompakt måleenhed, på størrelse med en notesbog.

Flere oplysninger: Artem Musiienko et al., Løsning af elektron- og hultransportegenskaber i halvledermaterialer ved konstant lysinduceret magnetotransport, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44418-1

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres