Halvledare är hörnstenen i modern elektronik. De används i solceller, lysdioder (lysdioder), mikroprocessorer i bärbara datorer och mobiltelefoner, och mer. De flesta är gjorda av kisel, men kisel har sina begränsningar. Så i decennier har forskare utforskat nya material med egenskaper som gör dem till bra kandidater för bättre, lättare, och billigare energieffektiva lampor, solceller, och till och med – en dag, kanske – solenergi-utnyttjande "färg".

För att avgöra om ett nytt material har ett löfte som halvledare eller uppfyller tillverkarens specifikationer, företag måste i huvudsak kunna räkna antalet fritt rörliga "laddningsbärare" som flyter i materialet, såväl som deras rörlighet eller hur lätt de kan röra sig. Negativa bärare är elektroner; positiva bärare kallas "hål" och är platser där en elektron saknas. Halvledare är vanligtvis dopade med föroreningar för att öka antalet fria elektroner i ett område av materialet och antalet fria hål i ett annat område av materialet, vilket ger halvledaren en negativ och positiv sida.

Det traditionella sättet att mäta laddningsbärarens koncentration, kallad Hall-metoden, tar lite tid och skicklighet:det kräver handlödning av en rad elektriska metallkontakter på en skiva av materialet, att utsätta skivan för ett magnetfält, applicera en ström, och mäter en spänning. (Se animation.)

Nytt vs gammalt:Det traditionella testet för att bedöma kvaliteten på en halvledare, kallad Hall-metoden, mäter antalet fritt rörliga laddningsbärare (elektroner och hål) i ett material. Men det är ganska tidskrävande att utföra. En ny, snabbare teknik gör denna mätning genom att utsätta halvledaren för terahertz (THz) ljus, som är mycket rödare än det mänskliga ögat kan se. THz-ljuset lyser rakt igenom rent kisel och andra halvledarmaterial. Men den absorberas av de fritt rörliga elektronerna och hålen (läggs till materialet genom att dopa det med föroreningar eller genom att utsätta det för vissa ljusfrekvenser). Ju fler laddningsbärare i materialet, ju mindre THz-ljus lyser genom den andra sidan. Metoden mäter inte bara hur många laddningsbärare som finns i materialet, men också hur lätt de rör sig.

Men medan Hall -metoden fungerar bra för kisel, det fungerar ofta inte alls för många lovande exotiska material. "Kontakterna följer inte, "säger Ted Heilweil från NIST Physical Measurement Laboratory (PML)." Du kan bara inte få grejerna att fastna. "

Heilweil och hans NIST -kollegor har undersökt ett annat potentiellt alternativ, en metod som inte kräver några elektriska kontakter alls. Istället, det innebär att lysa pulser av ljus genom ett prov av halvledarmaterialet och mäta mängden som kommer ut på andra sidan.

Den nya laserbaserade metoden mäter antalet laddningsbärare i materialet med hjälp av terahertz (THz) strålning, som har en våglängd mycket längre än det mänskliga ögat kan se, i det fjärran infraröda till mikrovågsområdet. Till THz ljus, rent kisel och andra halvledare är i huvudsak osynliga. Men en sak som absorberar det ljuset är fritt rörliga laddningsbärare. Så ju fler fria elektroner och hål det finns i materialet, desto mindre ljus lyser igenom.

För att se hur väl den nyare metoden mäter sig mot den traditionella Hall -tekniken, NIST-teamet utförde båda testerna på ett brett utbud av provskivor och kristaller, alla kommersiellt tillgängliga och under aktiv undersökning av branschen. Proverna inkluderade både rena kiselskivor och kiselskivor dopade med olika föroreningar, liksom bitar av germanium och kristaller av zink tellurid, galliumarsenid, och galliumfosfid. Provtjockleken varierade från 300 mikrometer till endast 4 eller 7 mikrometer – en bråkdel av tjockleken på ett människohår.

NIST PML:s Robert Thurber, som har spenderat decennier med att mäta skivor med den traditionella metoden, testade varje prov med Hall-tekniken. Han skickade sedan dessa prover till Heilweils laboratorium för testning med terahertz -apparaten. NIST National Research Council (NRC) postdoktor Brian Alberding arbetade också med att utföra och analysera de optiska mätningarna.

Resultatet? Den optiska metoden fungerar bra, Säger Heilweil. För kiselskivorna, siffrorna från Hall- och THz -metoderna överensstämde - inom 50% av varandra - och matchade också generellt vad som har publicerats av andra laboratorier tidigare. För de icke-kiselprover där båda typerna av mätningar kunde göras, värderingarna stämde också väl överens, faller inom varandras mätosäkerheter. Denna framgång ger forskarna mer förtroende för THz-mätningarna de gjorde på material (som zinktellurid) som inte kan testas tillförlitligt med Hall-metoden.

Studien representerar första gången, till författarnas kunskap, att de nya och gamla metoderna har använts på samma prover. "Det har alltid stört mig att det fanns en kontaktmetod och en icke-kontaktmetod, men det fanns ingen jämförelse mellan de två, " säger Heilweil. "Med detta tillvägagångssätt, vi kunde göra mycket bra jämförelser."

En bonus för denna metod är att den kan användas för att studera fotodoping, eller användning av ljus för att tillfälligt öka en halvledares konduktivitet. Det är i grunden så en solcell fungerar:solen lyser upp ett material och lika många elektroner och hål genereras. För detta arbete, NIST -forskarna aktiverade materialet med en andra ljusstråle med en annan frekvens, beroende på att materialet undersöks. De använde sedan terahertzstrålen för att berätta hur många fria elektroner och hål som genererades, såväl som deras rörlighet, eller hur lätt de kan röra sig genom materialet.

Förutom att tillåta bedömning av material som inte kunde testas tidigare, lasertekniken kan användas för snabbare kvalitetskontrollarbete för kiselskivor. Någon dag, testning kan vara lika enkelt som att sätta in ett prov i en optisk läsare och få ett resultat nästan omedelbart. Detta är potentiellt bra för forskning och utveckling, Heilweil säger, eftersom företag snabbt kunde testa nya idéer, enheter, och material för att se hur bra de fungerar.

Tills vidare, fastän, tekniken kräver ett dyrt lasersystem, så det skulle behöva kommersialiseras innan det kunde integreras i de flesta tillverkares laboratorier. Under tiden, Heilweil fortsätter att använda lasermetoden för att studera exotiska material som ruteniumoxid, ett lovande transparent ledande material, såväl som grafen och andra ledande 2D-material med nanoskala lager, som en dag skulle kunna användas för att måla elektronik på ytor. "Jag tror att det skulle vara väldigt coolt om jag kan göra ett litet hål i det vetenskapliga samfundet på det sättet. "Säger Heilweil.