Ученые ИЯФ СО РАН и ИФМ РАН исследовали поведение электронов мышьяка в полупроводнике под действием терагерцового излучения

Ученые ИЯФ СО РАН и ИФМ РАН исследовали поведение электронов мышьяка в полупроводнике под действием терагерцового излучения

Это может помочь при создании компактных лазеров нового типа, а также одноатомных транзисторов, которые в будущем могут стать основой для наноэлектроники

Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ
СО РАН) и Института физики микроструктур РАН (ИФМ РАН) провели
серию оптических исследований германия, легированного мышьяком
(материал относится к классу полупроводников). В ходе
экспериментов на Новосибирском лазере на свободных электронах
(ЛСЭ) исследовалось поведение электронов мышьяка в
полупроводнике: частицы возбуждались за счет воздействия
терагерцового излучения лазера, а затем ученые фиксировали время
их релаксации, то есть возвращения в основное состояние, сообщает
пресс-служба ИЯФ СО РАН. В результате было установлено, что это
время составляет 0.5 – 1.5 наносекунды. Подобные измерения в
будущем могут помочь при создании компактных лазеров нового типа,
а также одноатомных транзисторов, которые в будущем могут стать
основой для наноэлектроники. Работа выполнена в рамках
гранта РНФ №
19-72-20163
. Результаты опубликованы в
журнале «Письма в журнал
экспериментальной и теоретической физики»
.

Полупроводники – это материалы, электрическая проводимость
которых меняется в зависимости от внешних условий. Они занимают
промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
Структура таких материалов включает в себя несколько
энергетических зон. Самую верхнюю из зон, заполненных электронами
при температуре, равной абсолютному нулю, называют валентной
зоной; первую из незаполненных электронами — зоной проводимости,
а разделяет их запрещенная зона. В материалах, которые проводят
электричество при любых условиях, эта зона фактически
отсутствует, полупроводниками называют материалы с относительно
небольшой запрещенной зоной, а в случае, если ее размер
составляет более 4-5 эВ, материал считается диэлектриком.

Увеличения проводимости полупроводника можно добиться разными
способами, один из них – добавление примесей или легирование.
Существует два типа примесей: донорные – легко отдающие свободные
электроны, и акцепторные – электроны принимающие. Мышьяк
относится к числу донорных примесей. Для них важной
характеристикой является энергия связи примеси – минимальная
энергия, необходимая для отрыва электрона от донора и перехода в
зону проводимости. Примеси встраиваются в кристаллическую решетку
полупроводника и создают в запрещенной зоне дополнительные уровни
энергии, на которых возбужденный электрон может находиться
короткое время.

«После возбуждения электроны всегда возвращаются к равновесному
состоянию, то есть релаксируют, измеряя и сравнивая времена
релаксации можно построить схему наиболее вероятных маршрутов
релаксации электронов, — рассказывает старший научный сотрудник
ИФМ РАН, кандидат физико-математических наук Роман Жукавин. —
Одной из изюминок полученных результатов стало то, что для
мышьяка в германии в одном эксперименте получилось оценить время
релаксации двух возбужденных уровней, когда излучение ЛСЭ
переводило электроны с первого из них на второй, и возвращение к
равновесию частично происходило за счет «подкачки» с основного
уровня. В будущем это может помочь сделать вывод о возможности
создания лазерной среды на основе германия с примесью мышьяка,
кроме того, эти данные позволят понять возможные характеристики
для одноатомного транзистора на основе донора в германии».

«Создать условия, при которых можно отследить процесс релаксации
электронов в данном материале непросто, прежде всего, нужен
специальный источник возбуждения с энергиями подходящими для
этого материала — рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО
РАН, кандидат физико-математических наук, Юлия Чопорова. –
Во-первых, терагерцовых лазеров на свободных электронах во всем
мире не больше десяти. Во-вторых, на этом источнике необходима
специальная пользовательская станция «накачка-зондирование» —
таких в мире всего три, насколько мне известно. И, в-третьих,
образец должен быть очень холодным (T=4К), иначе электроны
примеси будут возбуждены за счет температурного нагрева —
настолько маленькие энергии необходимо возбудить».

По словам Юлии Чопоровой, именно Новосибирский терагерцовый ЛСЭ
дает возможность использовать его для работы с такими маленькими
энергиями и временами. Лазер позволяет перестраивать длину волны
излучения – это дает возможность подстроиться под конкретный
возбужденный уровень электрона, а станция «накачка-зондирование»
– измерять времена релаксации от 100 пикосекунд до 5 наносекунд.

Иллюстрация: Станция «Накачка-зондирование» на Новосибирском
ЛСЭ. Внешний вид. Фото: Юлия Чопорова

Источник: www.inp.nsk.su

Источник: scientificrussia.ru