I semiconduttori sono al centro della maggior parte dei dispositivi elettronici che regolano la nostra vita quotidiana. Il corretto funzionamento dei dispositivi a semiconduttore si basa sui loro campi elettrici generati internamente. La misurazione di questi campi su scala nanometrica è fondamentale per lo sviluppo dell'elettronica di prossima generazione, ma le tecniche attuali sono limitate alle misurazioni del campo elettrico sulla superficie di un semiconduttore. Takayuki Iwasaki e una collaborazione di ricercatori hanno segnalato un nuovo metodo per rilevare i campi elettrici interni all'interno dei dispositivi a semiconduttore in funzione. La tecnica sfrutta la risposta di uno spin di un singolo elettrone introdotto artificialmente alle variazioni del campo elettrico circostante, e ha permesso ai ricercatori di studiare un diodo a semiconduttore soggetto a tensioni di polarizzazione fino a 150 V.

Iwasaki e collaboratori hanno applicato il loro metodo al diamante, un cosiddetto semiconduttore a banda larga in cui i campi elettrici possono diventare molto forti, una proprietà importante per le applicazioni elettroniche a bassa perdita. Diamond si adatta facilmente ai centri di azoto vacanti (NV), un tipo di difetto puntuale che si verifica quando due atomi di carbonio vicini vengono rimossi dal reticolo del diamante e uno di essi viene sostituito da un atomo di azoto. I centri NV possono essere creati di routine nel diamante mediante impianto ionico. Un campo elettrico vicino influenza lo stato energetico di un centro NV, che a sua volta può essere sondato con un metodo chiamato risonanza magnetica rilevata otticamente (ODMR).

I ricercatori hanno prima fabbricato un diodo p-i-n di diamante (uno strato di diamante intrinseco inserito tra un elettrone e uno strato drogato con lacune) incorporato con centri NV. Hanno quindi localizzato un centro NV nella maggior parte dell'i-layer, a diverse centinaia di nanometri di distanza dall'interfaccia, e ha registrato il suo spettro ODMR per aumentare le tensioni di polarizzazione. Da questi spettri, i valori per il campo elettrico possono essere ottenuti utilizzando formule teoriche. I valori sperimentali sono stati quindi confrontati con i risultati numerici ottenuti con un simulatore di dispositivi e sono risultati in buon accordo, confermando il potenziale dei centri NV come sensori locali di campo elettrico.

Iwasaki e colleghi spiegano che il valore determinato sperimentalmente per il campo elettrico attorno a un dato centro NV è essenzialmente la componente del campo perpendicolare alla direzione del centro NV, allineata lungo una delle quattro possibili direzioni nel reticolo del diamante. Sostengono che una matrice regolare di centri NV impiantati dovrebbe consentire di ricostruire il campo elettrico con una risoluzione spaziale di circa 10 nm utilizzando tecniche di super-risoluzione, che sono promettenti per lo studio di dispositivi più complessi in ulteriori studi.

I ricercatori sottolineano anche che il rilevamento del campo elettrico non è rilevante solo per i dispositivi elettronici, ma anche per applicazioni elettrochimiche:l'efficienza delle reazioni elettrochimiche che avvengono tra un semiconduttore e una soluzione dipende dal campo elettrico interno della prima. Inoltre, Iwasaki e collaboratori osservano che il loro approccio non deve essere limitato ai centri NV nel diamante:esistono strutture simili con spin a singolo elettrone in altri semiconduttori come il carburo di silicio, Per esempio.

Semiconduttori a banda larga

I materiali semiconduttori presentano un cosiddetto gap di banda:una gamma di energia in cui non esistono livelli di energia accessibili. Affinché un semiconduttore possa condurre, gli elettroni devono acquisire energia sufficiente per superare il band gap; il controllo delle transizioni elettroniche attraverso il band gap costituisce la base dell'azione del dispositivo semiconduttore. I semiconduttori tipici come il silicio o l'arseniuro di gallio hanno una banda proibita dell'ordine di 1 elettronvolt (eV). Semiconduttori a banda larga, come il diamante o il carburo di silicio, hanno una banda proibita maggiore:i valori fino a 3-5 eV non sono rari.

A causa del loro ampio gap di banda, i semiconduttori a banda larga possono funzionare a temperature superiori a 300 °C. Inoltre, possono sostenere tensioni e correnti elevate. A causa di queste proprietà, i semiconduttori a banda larga hanno molte applicazioni, compresi diodi emettitori di luce, trasduttori, dispositivi ad energia alternativa e componenti ad alta potenza. Per un ulteriore sviluppo di queste e altre applicazioni future, è essenziale essere in grado di caratterizzare dispositivi wide-band-gap in funzione. La tecnica proposta da Iwasaki e colleghi per misurare il campo elettrico generato in un semiconduttore wide-band-gap soggetto a grandi tensioni di polarizzazione è quindi un passo avanti cruciale.

Centri vacanti per l'azoto

Il diamante è costituito da atomi di carbonio disposti su un reticolo in cui ogni atomo ha quattro vicini che formano un tetraedro. Il reticolo del diamante è soggetto a difetti; uno di questi difetti è il centro della vacanza di azoto (NV), che può essere pensato come risultante dalla sostituzione di un atomo di carbonio con un atomo di azoto e dalla rimozione di un atomo di carbonio vicino. Il livello di energia di un centro NV si trova nella banda proibita del diamante ma è sensibile al suo ambiente locale. In particolare, la cosiddetta struttura nucleare iperfine di un centro NV dipende dal suo campo elettrico circostante. Questa dipendenza è ben compresa in teoria, ed è stato sfruttato da Iwasaki e collaboratori:rilevare i cambiamenti nella struttura iperfine di un centro NV ha permesso loro di ottenere valori per il campo elettrico locale. Uno dei principali vantaggi di questo approccio è che consente di monitorare il campo all'interno del materiale, non solo in superficie, per i quali erano già stati sviluppati metodi.

Risonanza magnetica rilevata otticamente

Per sondare la struttura nucleare iperfine di un centro NV nella maggior parte del dispositivo a base di diamante, Iwasaki e colleghi hanno impiegato la risonanza magnetica rilevata otticamente (ODMR):irradiando il campione con luce laser, il centro NV era otticamente eccitato, dopodiché è stato possibile registrare lo spettro di risonanza magnetica. Un campo elettrico divide la risonanza dell'ODMR; la larghezza di divisione rilevata sperimentalmente fornisce una misura per il campo elettrico.