I semiconduttori dell'elettronica moderna si basano su piccole quantità di elementi impuri aggiunti, chiamati droganti, che alterano la capacità del materiale di condurre elettricità. Sebbene il ruolo di questi droganti sia spesso semplice, non è sempre così. Gli elettroni provenienti dai droganti negli ossidi complessi possono comportarsi in modi significativamente diversi rispetto a quelli dei semiconduttori convenzionali, come il silicio.
I ricercatori che studiano ciò che accade in questi materiali si affidano in genere alla spettroscopia fotoelettronica, che misura gli elettroni espulsi dagli atomi dalle onde luminose ad alta energia. Tuttavia, questa tecnica richiede che l'atomo di interesse sia presente pari o superiore all'1% del materiale per un segnale rilevabile. I droganti in molti semiconduttori sono ben al di sotto di questi livelli, rendendo difficile l'acquisizione di dati su di essi.
Un nuovo studio pubblicato su Physical Review Materials utilizza la spettroscopia di fotoemissione risonante basata su raggi X per osservare gli elettroni nell'ossido di titanio di stronzio leggermente drogato su silicio (STO/Si). I ricercatori sono riusciti a sondare e identificare le diverse posizioni ed energie degli elettroni del drogante primario in STO/Si. Il livello di drogante era nell'ordine dei millesimi di punto percentuale, sostanzialmente inferiore a quello che può essere studiato utilizzando la spettroscopia fotoelettronica convenzionale.
Nel sistema STO/Si, gli elettroni "liberi" e mobili possono essere di tre tipi primari. Ciò include quelli all'interno della pellicola STO del drogante STO primario, quelli del drogante STO che rimangono intrappolati sulla superficie della pellicola STO e quelli che saltano dal drogante al silicio nella STO. In questo nuovo lavoro, i ricercatori sono stati in grado di vedere le differenze tra gli stati degli elettroni droganti nella STO.
Negli strati STO studiati, il drogante non è un nuovo atomo aggiunto al materiale ma è un atomo (ossigeno) mancante nel materiale. Questi posti vacanti di ossigeno lasciano due elettroni che possono condurre elettricità. Tuttavia, questi due elettroni possono anche interagire fortemente tra loro, creando una struttura elettronica più complicata.
Attraverso la spettroscopia risonante di fotoemissione di raggi X, il team ha potuto sondare separatamente i diversi stati che contengono gli elettroni delle vacanze di ossigeno. L'esperimento è stato progettato per esaminare solo gli strati superiori del materiale, evitando le aree più profonde dove risiedono gli elettroni droganti del silicio. Ciò crea una semplificazione tanto necessaria e consente ai ricercatori di concentrarsi specificamente sugli elettroni presenti nei posti vacanti di ossigeno.
I ricercatori hanno scoperto che gli elettroni intrappolati in superficie hanno un’energia leggermente diversa rispetto agli elettroni che si muovono liberamente all’interno del corpo della STO. Conoscere il panorama energetico aiuta i ricercatori a capire come l'intrappolamento degli elettroni in superficie influisce sulla conduttività elettrica complessiva della STO.
"Questo approccio è incredibilmente potente", ha affermato l'autore principale Scott Chambers, membro del laboratorio del Pacific Northwest National Laboratory. "Siamo stati in grado di 'vedere' gli elettroni intrappolati sulla superficie in STO/Si per la prima volta. Spero che altri utilizzino questo approccio per studiare diversi semiconduttori leggermente drogati con strutture elettroniche complesse."
Il lavoro è stato eseguito in collaborazione con ricercatori dell'Università del Texas-Arlington e della Diamond Light Source.
Ulteriori informazioni: S. A. Chambers et al, Sondaggio delle proprietà elettroniche degli stati gap vicino alla superficie delle eterogiunzioni n−SrTiO3−δ/i−Si(001) con elevata sensibilità, Materiali di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevMaterials.8.014602
Fornito dal Pacific Northwest National Laboratory
