Kolme kertaa piitä parempi

Tutkimuksessa, joka vahvistaa lupauksensa seuraavan sukupolven puolijohdemateriaalina, UC Santa Barbara -tutkijat ovat kuvanneet kuutiollisen yksikiteisen booriarsenidin valokantajien kuljetusominaisuudet.

"Pystyimme visualisoimaan, kuinka varaus liikkuu näytteessämme", sanoi apulaisprofessori Bolin Liao. Käyttämällä pyyhkäisevää ultranopeaa elektronimikroskopiaa (SUEM) tutkijat pystyivät tekemään "elokuvia" valoherätetyn varauksen synnystä ja kuljetusprosesseista tässä suhteellisen vähän tutkitussa III-V-puolijohdemateriaalissa, jolla on äskettäin tunnistettu poikkeukselliset sähköiset ja lämpötekniset ominaisuudet.

Tutkimustyön aikana he löysivät yllättäen vielä yhden hyödyllisen ominaisuuden, joka lisää materiaalin potentiaalia seuraavana suurena puolijohteena.

Booriarsenidia pidetään mahdollisena ehdokkaana korvaamaan piitä, tietokonemaailman puolijohdemateriaalina, sen lupaavan suorituskyvyn vuoksi.

Materiaalilla on piitä parempi varausten liikkuvuus mutta se johtaa myös lämpöä 10 kertaa paremmin. Se, mikä saa aikaan korkean lämmönjohtavuuden, voi ilmeisesti johtaa myös valonkantajien mielenkiintoisiin kuljetusominaisuuksiin esimerkiksi aurinkokennossa.

Jos tämä todetaan kokeellisesti, se osoittaisi, että kuutiollinen booriarsenidi voi olla lupaava materiaali myös aurinkosähkön ja valontunnistuksen sovelluksiin.

Valokantajan kuljetuksen suora mittaus tällaisessa materiaalissa on vaikeaa mutta nyt huipputeknisten tutkimustekniikoiden avulla tutkijat pystyivät ”elokuvaamaan” materiaalin ominaisuuksia.

"Löysimme yllättäen, että valon herättämät kuumat elektronit voivat säilyä paljon pidempään kuin tavanomaisissa puolijohteissa", Liao sanoi. Näiden "kuumien" kantajien havaittiin säilyvän yli 200 pikosekuntia, mikä liittyy samaan ominaisuuteen, joka on vastuussa materiaalin korkeasta lämmönjohtavuudesta. Tällä kyvyllä isännöidä "kuumia" elektroneja huomattavasti pidempiä aikoja on tärkeitä seurauksia.

"Esimerkiksi kun virität valolla elektroneja tyypillisessä aurinkokennossa, kaikilla elektroneilla ei ole samaa energiamäärää", Usama Choudhry selittää. "Korkeanenergisten elektronien elinikä on hyvin lyhyt ja matalaenergisten elektronien elinikä on erittäin pitkä."

Aurinkokennosta energiaa kerättäessä yleensä vain matalaenergiset elektronit tulevat hyvin kerätyksi mutta korkeaenergiset menettävät energiansa nopeasti lämmöksi. Kun korkean energian kantajilla on pidempi säilyvyys, niin tätä materiaalia käytettäessä aurinkokennoista voitaisiin saada talteen enemmän energiaa.

Kun booriarsenidi voittaa piin kolmella alueella – varauksen liikkuvuus, lämmönjohtavuus ja kuumien valokantajin kuljetusaika – siitä saattaa tulla elektroniikkamaailman seuraava uusi materiaali.

Ennen kuin se voisi kilpailla piin kanssa, tarvitaan vielä tutkimustyötä materiaalin tuottamiseksi teollisessa mittakaavassa.

Aiheesta aiemmin:

Ihanteellisen puolijohdemateriaalin metsästystä