Trong một nghiên cứu khẳng định lời hứa của nó là vật liệu bán dẫn thế hệ tiếp theo, các nhà nghiên cứu của UC Santa Barbara đã hình dung trực tiếp các đặc tính vận chuyển quang mang của các tinh thể đơn boron arsenua lập phương.
Bolin Liao, trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Đại học Kỹ thuật cho biết: “Chúng tôi có thể hình dung cách điện tích di chuyển trong mẫu của chúng tôi.
>> Tham khảo: Các nhà nghiên cứu khuyến khích các nhà bán lẻ sử dụng AI để phục vụ khách hàng tốt hơn.
Bằng cách sử dụng thiết lập kính hiển vi điện tử quét cực nhanh (SUEM) duy nhất đang hoạt động tại một trường đại học Hoa Kỳ, ông và nhóm của mình đã có thể tạo ra những “bộ phim” về quá trình tạo và vận chuyển điện tích quang kích thích trong vật liệu bán dẫn III-V tương đối ít được nghiên cứu này, mà gần đây đã được công nhận là có tính chất điện và nhiệt đặc biệt.
Trong quá trình này, họ đã tìm thấy một đặc tính có lợi khác làm tăng thêm tiềm năng của vật liệu với tư cách là chất bán dẫn tuyệt vời tiếp theo.
Nghiên cứu của họ, được tiến hành với sự cộng tác của nhóm của giáo sư vật lý Zhifeng Ren tại Đại học Houston, người chuyên chế tạo các tinh thể đơn chất lượng cao của boron arsenua lập phương, xuất hiện trên tạp chí Matter.
Bo arsenua đang được coi là một ứng cử viên tiềm năng để thay thế silicon, vật liệu bán dẫn chủ yếu của thế giới máy tính, do hiệu suất đầy hứa hẹn của nó.
Đối với một điều, với tính di động của điện tích được cải thiện so với silicon, nó dễ dàng dẫn dòng điện (electron và đối tác tích điện dương của chúng, “lỗ trống”). Tuy nhiên, không giống như silicon, nó cũng dẫn nhiệt dễ dàng.
>> Tham khảo: Giao diện người-máy hoạt động dưới nước, tự tạo ra năng lượng.
Liao cho biết: “Vật liệu này thực sự có độ dẫn nhiệt cao gấp 10 lần so với silicon. Ông giải thích rằng khả năng dẫn nhiệt và giải phóng này đặc biệt quan trọng khi các linh kiện điện tử trở nên nhỏ hơn và được đóng gói dày đặc hơn, đồng thời nhiệt tích tụ sẽ đe dọa đến hiệu suất của thiết bị.
Ông nói: “Khi điện thoại di động của bạn trở nên mạnh mẽ hơn, bạn muốn có khả năng tản nhiệt, nếu không bạn sẽ gặp các vấn đề về hiệu quả và an toàn. “Quản lý nhiệt là một thách thức đối với rất nhiều thiết bị vi điện tử.”
Điều làm tăng tính dẫn nhiệt cao của vật liệu này, hóa ra, cũng có thể dẫn đến các đặc tính vận chuyển thú vị của các chất mang quang điện, đó là các điện tích được kích thích bởi ánh sáng, chẳng hạn như trong pin mặt trời.
Nếu được xác minh bằng thực nghiệm, điều này sẽ chỉ ra rằng arsenua boron khối cũng có thể là một vật liệu đầy hứa hẹn cho các ứng dụng phát hiện ánh sáng và quang điện. Tuy nhiên, phép đo trực tiếp vận chuyển chất mang quang trong arsenua khối boron là một thách thức do kích thước nhỏ của các mẫu chất lượng cao sẵn có.
Nghiên cứu của nhóm nghiên cứu kết hợp hai kỳ tích: Kỹ năng tăng trưởng tinh thể của nhóm Đại học Houston và năng lực chụp ảnh tại UC Santa Barbara. Kết hợp các khả năng của kính hiển vi điện tử quét và tia laze cực nhanh femto giây, nhóm UCSB đã chế tạo thứ về cơ bản là một máy ảnh có độ phân giải cực cao, cực kỳ nhanh.
>> Tham khảo: Ô nhiễm hạt vi nhựa đe dọa các đầm phá ven biển trên thế giới.
“Kính hiển vi điện tử có độ phân giải không gian rất tốt – chúng có thể phân giải các nguyên tử đơn lẻ với độ phân giải không gian dưới nanomet – nhưng chúng thường rất chậm”, Liao nói, lưu ý rằng điều này khiến chúng trở nên tuyệt vời để chụp ảnh tĩnh.
Liao tiếp tục: “Với kỹ thuật của chúng tôi, chúng tôi kết hợp độ phân giải không gian rất cao này với một tia laser cực nhanh, hoạt động như một màn trập rất nhanh, để có độ phân giải thời gian cực cao.
“Chúng ta đang nói về một pico giây — một phần triệu của một phần triệu giây. Vì vậy, chúng ta có thể làm phim về các quá trình vận chuyển điện tích và năng lượng vi mô này.”
Ban đầu được phát minh tại Caltech, phương pháp này đã được phát triển và cải tiến thêm tại UCSB từ đầu và hiện là thiết lập SUEM hoạt động duy nhất tại một trường đại học Mỹ.
“Điều gì xảy ra là chúng ta có một xung của tia laser này kích thích mẫu,” nghiên cứu sinh Usama Choudhry, tác giả chính của bài báo Matter, giải thích.
“Bạn có thể nghĩ nó giống như rung chuông; đó là một âm thanh lớn giảm dần theo thời gian.” Ông giải thích, khi họ “rung chuông”, một xung laze thứ hai được tập trung vào một catốt quang điện (“súng điện tử”) để tạo ra một xung điện tử ngắn để chụp ảnh mẫu.
Sau đó, họ quét xung điện tử theo thời gian để thu được hình ảnh đầy đủ của chiếc nhẫn. Ông nói: “Chỉ bằng cách thực hiện nhiều lần quét này, bạn có thể có được một đoạn phim về cách các electron và lỗ trống bị kích thích và cuối cùng trở lại bình thường.
Trong số những thứ họ quan sát được khi kích thích mẫu của mình và xem các electron trở lại trạng thái ban đầu là thời gian tồn tại của các electron “nóng”.
Liao cho biết: “Thật ngạc nhiên, chúng tôi phát hiện ra rằng các electron ‘nóng’ được kích thích bởi ánh sáng trong vật liệu này có thể tồn tại trong thời gian dài hơn nhiều so với trong chất bán dẫn thông thường.
Người ta thấy những chất mang “nóng” này tồn tại trong hơn 200 pico giây, một đặc tính có liên quan đến cùng đặc điểm chịu trách nhiệm về tính dẫn nhiệt cao của vật liệu.
>> Tham khảo: Kích hoạt vi khuẩn hiệu quả để tạo ra các hóa chất có giá trị cao.
Khả năng lưu trữ các electron “nóng” này trong khoảng thời gian dài hơn đáng kể có ý nghĩa quan trọng.
“Ví dụ, khi bạn kích thích các electron trong pin mặt trời điển hình bằng ánh sáng, không phải mọi electron đều có cùng một mức năng lượng,” Choudhry giải thích.
“Các electron năng lượng cao có thời gian tồn tại rất ngắn và các electron năng lượng thấp có thời gian tồn tại rất dài.” Ông tiếp tục, khi nói đến việc thu năng lượng từ một pin mặt trời điển hình, chỉ có các electron năng lượng thấp mới được thu một cách hiệu quả; những cái năng lượng cao có xu hướng mất năng lượng nhanh chóng dưới dạng nhiệt.
Do tính bền bỉ của các chất mang năng lượng cao, nếu vật liệu này được sử dụng làm pin mặt trời, thì có thể thu được nhiều năng lượng hơn từ nó một cách hiệu quả.
Với việc boron arsenide đánh bại silicon trong ba lĩnh vực có liên quan — độ linh động của điện tích, độ dẫn nhiệt và thời gian vận chuyển chất mang quang điện nóng — nó có tiềm năng trở thành vật liệu tiên tiến tiếp theo của thế giới điện tử.
Tuy nhiên, nó vẫn phải đối mặt với những rào cản đáng kể – chế tạo tinh thể chất lượng cao với số lượng lớn – trước khi có thể cạnh tranh với silicon, một lượng lớn trong số đó có thể được sản xuất tương đối rẻ và chất lượng cao. Nhưng Liao không thấy có quá nhiều vấn đề.
Ông nói: “Silicon hiện nay thường xuyên có sẵn nhờ nhiều năm đầu tư; người ta bắt đầu phát triển silicon vào khoảng những năm 1930 và 1940.
>> Tham khảo: Điều khiển từ xa để chuyển gen.
“Tôi nghĩ một khi mọi người nhận ra tiềm năng của vật liệu này, sẽ có nhiều nỗ lực hơn trong việc tìm cách phát triển và sử dụng nó. UCSB thực sự có vị trí đặc biệt cho thách thức này với chuyên môn vững chắc về phát triển chất bán dẫn.”
Công việc được thực hiện tại UCSB được hỗ trợ một phần bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Văn phòng Khoa học Năng lượng Cơ bản, theo số giải thưởng DE-SC0019244 cho sự phát triển của SUEM, và bởi Văn phòng Nghiên cứu Quân đội Hoa Kỳ theo số giải thưởng W911NF-19-1- 0060 để nghiên cứu động học quang mang trong các vật liệu mới nổi.
Sự phát triển của các tinh thể boron arsenua tại Đại học Houston được hỗ trợ bởi Văn phòng Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ theo số giải thưởng N00014-16-1-2436.
