En HZB-fysiker har utvecklat en ny metod för omfattande karakterisering av halvledare i en enda mätning. "Constant Light-Induced Magneto-Transport (CLIMAT)" är baserad på Hall-effekten och tillåter registrering av 14 olika parametrar för transportegenskaper hos negativa och positiva laddningsbärare.
Metoden har nu testats på tolv olika halvledarmaterial och kommer att spara värdefull tid vid bedömning av nya material för optoelektroniska applikationer som solceller.
Solceller, transistorer, detektorer, sensorer och lysdioder har alla en sak gemensamt:de är gjorda av halvledarmaterial vars laddningsbärare bara släpps ut när de träffas av ljus (fotoner). Fotonerna slår ut elektroner (negativa laddningsbärare) ur sina banor, som rör sig genom materialet tills de fångas igen efter en viss tid.
Samtidigt skapas hål på de ställen där elektronerna saknas – dessa hål beter sig som positivt laddade laddningsbärare och är också viktiga för prestanda för respektive applikation. Negativa och positiva laddningsbärares beteende i halvledare skiljer sig ofta åt i storleksordningar vad gäller rörlighet, diffusionslängder och livslängd.
Hittills har parametrarna för transportegenskaperna behövt bestämmas separat för varje typ av laddning, med olika mätmetoder.
Som en del av sitt Maria Skłodowska Curie Postdoctoral Fellowship har HZB-fysikern Dr. Artem Musiienko nu utvecklat en ny metod som kan registrera alla 14 parametrar för positiva och negativa laddningsbärare i en enda mätning.
"Constant Light-Induced Magneto-Transport (CLIMAT)" använder ett magnetiskt fält vertikalt genom provet och en konstant ljuskälla för laddningsseparation. Laddningsbärarna rör sig längs ett elektriskt fält och avböjes av magnetfältet vinkelrätt mot deras rörelseriktning (Hall-effekt) enligt deras massa, rörlighet och andra egenskaper.
Totalt 14 olika egenskaper kan bestämmas utifrån signalerna och i synnerhet skillnaderna mellan de olika laddningsbärarnas signaler, visade Musiienko med ett snyggt litet ekvationssystem.
"CLIMAT ger alltså en heltäckande inblick i laddningstransporternas komplicerade mekanismer, både positiva och negativa laddningsbärare, med en enda mätning. Detta gör att vi mycket snabbare kan utvärdera nya typer av halvledarmaterial, till exempel med avseende på deras lämplighet som solceller. eller för andra applikationer", säger Musiienko.
För att visa den nya metodens breda tillämpbarhet har forskarlag vid HZB, University of Potsdam och andra institutioner i USA, Schweiz, Storbritannien och Ukraina nu använt den för att karakterisera totalt tolv mycket olika halvledarmaterial, inklusive kisel, halogenidperovskitfilmer, organiska halvledare som Y6, halvisolatorer, självmonterade monolager och nanopartiklar. Resultaten har nu publicerats i Nature Communications.
Oberoende experter som Prof Vitaly Podzorov från Rutgers University, USA, tilldelade CLIMAT-metoden 15 av 16 poäng i Nature Electronics och anser att den nya metoden är banbrytande.
I synnerhet eliminerar CLIMAT många av de steg som tidigare krävdes för olika mätningar, vilket sparar värdefull tid. I början av 2024 godkändes CLIMAT-metoden för patentering av det europeiska patentverket under numret EP23173681.0. "Förhandlingar pågår för närvarande med företag om licensiering av vår metod", säger Musiienko. Målet är en kompakt mätenhet, ungefär lika stor som en bärbar dator.
Mer information: Artem Musiienko et al, Resolving elektron- och håltransportegenskaper i halvledarmaterial genom konstant ljusinducerad magnetotransport, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44418-1
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
