Un fisico dell'HZB ha sviluppato un nuovo metodo per la caratterizzazione completa dei semiconduttori in un'unica misurazione. Il "trasporto magnetico indotto dalla luce costante (CLIMAT)" si basa sull'effetto Hall e consente la registrazione di 14 diversi parametri delle proprietà di trasporto dei portatori di carica negativa e positiva.
Il metodo è stato ora testato su dodici diversi materiali semiconduttori e farà risparmiare tempo prezioso nella valutazione di nuovi materiali per applicazioni optoelettroniche come le celle solari.
Celle solari, transistor, rilevatori, sensori e LED hanno tutti una cosa in comune:sono costituiti da materiali semiconduttori i cui portatori di carica vengono rilasciati solo quando vengono colpiti dalla luce (fotoni). I fotoni spingono gli elettroni (portatori di carica negativa) fuori dalle loro orbite, che si muovono attraverso il materiale finché non vengono catturati nuovamente dopo un certo tempo.
Contemporaneamente si creano dei buchi nei punti in cui mancano gli elettroni:questi buchi si comportano come portatori di carica caricati positivamente e sono importanti anche per l'esecuzione della rispettiva applicazione. Il comportamento dei portatori di carica negativa e positiva nei semiconduttori spesso differisce per ordini di grandezza in termini di mobilità, lunghezze di diffusione e durata.
Fino ad ora, i parametri delle proprietà di trasporto dovevano essere determinati separatamente per ciascun tipo di tariffa, utilizzando diversi metodi di misurazione.
Nell'ambito della sua borsa di studio post-dottorato Maria Skłodowska Curie, il fisico dell'HZB Dr. Artem Musiienko ha ora sviluppato un nuovo metodo in grado di registrare tutti i 14 parametri dei portatori di carica positivi e negativi in un'unica misurazione.
Il "trasporto magnetico indotto dalla luce costante (CLIMAT)" utilizza un campo magnetico verticalmente attraverso il campione e una sorgente luminosa costante per la separazione della carica. I portatori di carica si muovono lungo un campo elettrico e vengono deviati dal campo magnetico perpendicolarmente alla loro direzione di movimento (effetto Hall) in base alla loro massa, mobilità e altre proprietà.
Dai segnali si possono determinare un totale di 14 proprietà diverse e, in particolare, le differenze tra i segnali dei diversi portatori di carica, Musiienko ha mostrato con un piccolo e accurato sistema di equazioni.
"CLIMAT fornisce quindi una visione completa dei complicati meccanismi del trasporto di carica, sia dei portatori di carica positivi che negativi, con un'unica misurazione. Ciò ci consente di valutare molto più rapidamente nuovi tipi di materiali semiconduttori, ad esempio, per la loro idoneità come celle solari o per altre applicazioni", afferma Musiienko.
Per dimostrare l’ampia applicabilità del nuovo metodo, gruppi di ricerca dell’HZB, dell’Università di Potsdam e di altre istituzioni negli Stati Uniti, Svizzera, Regno Unito e Ucraina lo hanno ora utilizzato per caratterizzare un totale di dodici materiali semiconduttori molto diversi, tra cui silicio, pellicole di perovskite agli alogenuri, semiconduttori organici come Y6, semiisolanti, monostrati autoassemblati e nanoparticelle. I risultati sono stati ora pubblicati su Nature Communications.
Esperti indipendenti come il Prof. Vitaly Podzorov della Rutgers University, USA, hanno assegnato al metodo CLIMAT 15 punti su 16 in Nature Electronics e consideriamo il nuovo metodo rivoluzionario.
In particolare, CLIMAT elimina molti dei passaggi precedentemente richiesti per misurazioni diverse, risparmiando così tempo prezioso. All’inizio del 2024 il metodo CLIMAT è stato brevettato dall’Ufficio europeo dei brevetti con il numero EP23173681.0. "Attualmente sono in corso trattative con le aziende per concedere in licenza il nostro metodo", afferma Musiienko. L'obiettivo è un dispositivo di misurazione compatto, delle dimensioni di un taccuino.
Ulteriori informazioni: Artem Musiienko et al, Risoluzione delle proprietà di trasporto di elettroni e lacune nei materiali semiconduttori mediante trasporto magnetico indotto dalla luce costante, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44418-1
Fornito dall'Associazione Helmholtz dei centri di ricerca tedeschi
