Los semiconductores se encuentran en el corazón de muchos de los dispositivos electrónicos que rigen nuestra vida diaria. El funcionamiento adecuado de los dispositivos semiconductores depende de sus campos eléctricos generados internamente. Ser capaz de medir estos campos en la nanoescala es crucial para el desarrollo degeneración electrónica, pero las técnicas actuales se han limitado a las mediciones del campo eléctrico en la superficie de un semiconductor.Un grupo de Takayuki Iwasaki, Mutsuko Hatano y colegas del Instituto de Tecnología de Tokio, la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón JST y Toshiharu Makino enEl Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada AIST ha informado de un nuevo método para detectar campos eléctricos internos en el interior de dispositivos semiconductores en funcionamiento. La técnica explota la respuesta de un espín de electrones único introducido artificialmente a las variaciones en su campo eléctrico circundante,y permitió a los investigadores estudiar un diodo semiconductor sujeto a polarización voltages 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 baja pérdida. El diamante tiene la ventaja de queacomoda fácilmente centros de vacantes de nitrógeno NV, un tipo de defecto puntual que surge cuando dos átomos de carbono vecinos se retiran de la red de diamante y uno de ellos se reemplaza por un átomo de nitrógeno. Los centros de NV se pueden crear rutinariamente en diamante por medio deImplantación de iones: un campo eléctrico cercano afecta el estado de energía de un centro NV, que a su vez puede sondearse mediante un método llamado resonancia magnética detectada ópticamente ODMR.
Los investigadores primero fabricaron un diodo pin de diamante una capa intrínseca de diamante intercalada entre una capa dopada con electrones 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 denanómetros fuera de la interfaz, y registraron su espectro ODMR para aumentar los voltajes de polarización. A partir de estos espectros, los valores para el campo eléctrico podrían obtenerse usando fórmulas teóricas. Los valores experimentales se compararon con los resultados numéricos obtenidos con un simulador de dispositivo y se descubrióen buen acuerdo, confirmando 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 queuna matriz regular de centros NV implantados debería permitir la reconstrucción del campo eléctrico con una resolución espacial de aproximadamente 10 nm mediante la combinación de técnicas de superresolución, lo cual es prometedor para estudiar dispositivos más complejos en estudios posteriores.
Los investigadores también señalan que la detección de campo eléctrico no solo es relevante para dispositivos electrónicos, sino 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 limitarse a los centros NV en diamante: existen estructuras similares de espín de electrones simples en otros semiconductores como, por ejemplo, carburo de silicio.
fondo
semiconductores de banda ancha
Los materiales semiconductores presentan un llamado intervalo de banda: 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 el intervalo de banda; el control de las transiciones electrónicas a través del intervalo de banda forma elbase de la acción del dispositivo semiconductor. Los semiconductores típicos, como el silicio o el arseniuro de galio, tienen un intervalo de banda del orden de 1 electrón voltio eV. Los semiconductores de intervalo de banda ancha, como el diamante o el carburo de silicio, tienen un intervalo de banda mayor, valores comoalto como 3-5 eV no son infrecuentes.
Debido a su gran separación de banda, los semiconductores de separación de banda ancha pueden funcionar a temperaturas superiores a 300 ° C. Además, pueden soportar altos voltajes y corrientes. Debido a estas propiedades, los semiconductores de separación de banda ancha tienen muchas aplicaciones,incluyendo 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 esencial poder caracterizar los dispositivos de banda ancha en operación. La técnica propuesta por Iwasakiy sus colegas para medir el campo eléctrico generado en un semiconductor de banda ancha sujeto a grandes voltajes de polarización, por lo tanto, es un paso crucial hacia adelante.
centros de vacantes de nitrógeno
El diamante consiste en átomos de carbono dispuestos en una red donde cada átomo tiene cuatro vecinos que forman un tetraedro. La red de diamantes es propensa a defectos; uno de esos defectos es el centro de la vacante de nitrógeno NV, que puede considerarse como resultado dereemplazando un átomo de carbono con un átomo de nitrógeno y eliminando un átomo de carbono vecino. El nivel de energía de un centro NV se encuentra en el intervalo de banda del diamante pero es sensible a su entorno local. En particular, la llamada estructura hiperfina nuclear de un NVel centro depende de su campo eléctrico circundante. Esta dependencia es bien entendida teóricamente y fue explotada por Iwasaki y sus compañeros de trabajo: detectar cambios en la estructura hiperfina de un centro NV les permitió obtener valores para el campo eléctrico local. Una ventaja importante de este enfoquees que permite monitorear el campo dentro del material, no solo en la superficie, para lo cual ya se han desarrollado métodos.
resonancia magnética detectada ópticamente
Para sondear la estructura nuclear hiperfina de un centro NV en la mayor parte del dispositivo basado en diamantes, Iwasaki y sus colegas emplearon la resonancia magnética ODMR detectada ópticamente: al irradiar la muestra con luz láser, el centro NV se excitó ópticamente, después deque el espectro de resonancia magnética podría registrarse. Un campo eléctrico hace que la resonancia ODMR se divida; el ancho de división detectado experimentalmente proporciona una medida para el campo eléctrico.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Tokio . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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