Halvledare i modern elektronik är beroende av små mängder tillsatta föroreningselement, kallade dopämnen, som förändrar materialets förmåga att leda elektricitet. Även om rollen för dessa dopämnen ofta är okomplicerad, är det inte alltid fallet. Elektroner från dopämnen i komplexa oxider kan bete sig på ett sätt som skiljer sig väsentligt från de i konventionella halvledare, såsom kisel.
Forskare som studerar vad som händer i dessa material förlitar sig vanligtvis på fotoelektronspektroskopi, som mäter elektroner som slås ut ur atomer av ljusvågor med hög energi. Denna teknik kräver emellertid att atomen av intresse är närvarande vid eller över en procent av materialet för en detekterbar signal. Dopämnena i många halvledare ligger långt under dessa nivåer, vilket gör det utmanande att skaffa data om dem.
En ny studie publicerad i Physical Review Materials använder röntgenbaserad resonansfotoemissionsspektroskopi för att titta på elektroner i lättdopad strontiumtitanoxid på kisel (STO/Si). Forskare kunde undersöka och identifiera de olika platserna och energierna för elektroner från det primära dopmedlet i STO/Si. Dopämnesnivån var i tusendelar av en procent – betydligt lägre än vad som kan studeras med konventionell fotoelektronspektroskopi.
I STO/Si-systemet kan "fria" och mobila elektroner vara en av tre primärtyper. Detta inkluderar de i STO-filmen från det primära STO-dopmedlet, de från STO-dopmedlet som fastnar vid ytan av STO-filmen och de som hoppar från kiseldopmedlet in i STO. I detta nya arbete kunde forskarna se skillnader mellan dopantelektrontillstånden i STO.
I de studerade STO-skikten är dopningsmedlet inte en ny atom som läggs till materialet utan är en atom (syre) som saknas i materialet. Dessa syrevakanser lämnar efter sig två elektroner som kan leda elektricitet. Men dessa två elektroner kan också interagera starkt med varandra, vilket skapar en mer komplicerad elektronisk struktur.
Genom resonant röntgenfotoemissionsspektroskopi kunde teamet separat undersöka de olika tillstånden som innehåller elektronerna från syrevakanser. Experimentet utformades för att endast undersöka de översta lagren av materialet och undvika de djupare områdena där dopningselektronerna från kislet finns. Detta skapar en välbehövlig förenkling och gör det möjligt för forskare att fokusera specifikt på elektroner från syrevakanserna.
Forskarna fann att elektronerna som fångas vid ytan har en subtilt annorlunda energi än elektronerna som rör sig fritt i STO:s kropp. Att känna till energilandskapet hjälper forskare att förstå hur elektroninfångning vid ytan påverkar den övergripande elektriska ledningsförmågan hos STO.
"Det här tillvägagångssättet är otroligt kraftfullt", säger huvudförfattaren Scott Chambers, en laboratoriestipendiat vid Pacific Northwest National Laboratory. "Vi kunde "se" ytfångade elektroner i STO/Si för första gången. Jag hoppas att andra kommer att använda detta tillvägagångssätt för att undersöka olika lätt dopade halvledare med komplexa elektroniska strukturer."
Arbetet utfördes i samarbete med forskare vid University of Texas-Arlington och Diamond Light Source.
Mer information: S. A. Chambers et al., Undersöka de elektroniska egenskaperna hos gaptillstånd nära ytan av n−SrTiO3−δ/i−Si(001) heterojunctions med hög känslighet, Physical Review Materials (2024). DOI:10.1103/PhysRevMaterials.8.014602
Tillhandahålls av Pacific Northwest National Laboratory
