Een natuurkundige van de HZB heeft een nieuwe methode ontwikkeld voor de uitgebreide karakterisering van halfgeleiders in één enkele meting. Het "Constant Light-Induced Magneto-Transport (CLIMAT)" is gebaseerd op het Hall-effect en maakt de registratie mogelijk van 14 verschillende parameters van transporteigenschappen van negatieve en positieve ladingsdragers.

De methode is nu getest op twaalf verschillende halfgeleidermaterialen en zal kostbare tijd besparen bij het beoordelen van nieuwe materialen voor opto-elektronische toepassingen zoals zonnecellen.

Zonnecellen, transistors, detectoren, sensoren en LED's hebben allemaal één ding gemeen:ze zijn gemaakt van halfgeleidermaterialen waarvan de ladingsdragers pas vrijkomen als ze door licht (fotonen) worden geraakt. De fotonen slaan elektronen (negatieve ladingsdragers) uit hun banen, die door het materiaal bewegen totdat ze na een bepaalde tijd weer worden opgevangen.

Tegelijkertijd worden er gaten gemaakt op de plaatsen waar de elektronen ontbreken. Deze gaten gedragen zich als positief geladen ladingsdragers en zijn ook belangrijk voor de prestaties van de betreffende toepassing. Het gedrag van negatieve en positieve ladingsdragers in halfgeleiders verschilt vaak in ordes van grootte in termen van mobiliteit, diffusielengtes en levensduur.

Tot nu toe moesten de parameters van de transporteigenschappen voor elk type lading afzonderlijk worden bepaald, met behulp van verschillende meetmethoden.

Enkele meting

Als onderdeel van zijn Maria Skłodowska Curie Postdoctoral Fellowship heeft HZB-natuurkundige Dr. Artem Musiienko nu een nieuwe methode ontwikkeld die alle 14 parameters van positieve en negatieve ladingsdragers in één meting kan registreren.

Het "Constant Light-Induced Magneto-Transport (CLIMAT)" maakt gebruik van een magnetisch veld verticaal door het monster en een constante lichtbron voor ladingsscheiding. De ladingsdragers bewegen langs een elektrisch veld en worden afgebogen door het magnetische veld loodrecht op hun bewegingsrichting (Hall-effect), afhankelijk van hun massa, mobiliteit en andere eigenschappen.

Uit de signalen kunnen in totaal 14 verschillende eigenschappen worden bepaald, en in het bijzonder de verschillen tussen de signalen van de verschillende ladingsdragers, liet Musiienko zien met een leuk stelseltje vergelijkingen.

Positieve en negatieve ladingsdragers

“CLIMAT geeft daarmee met één meting een uitgebreid inzicht in de ingewikkelde mechanismen van ladingstransport, zowel positieve als negatieve ladingsdragers. Hierdoor kunnen we nieuwe soorten halfgeleidermaterialen veel sneller beoordelen, bijvoorbeeld op hun geschiktheid als zonnecellen of voor andere toepassingen", zegt Musiienko.

Om de brede toepasbaarheid van de nieuwe methode aan te tonen, hebben onderzoeksteams van de HZB, de Universiteit van Potsdam en andere instellingen in de VS, Zwitserland, Groot-Brittannië en Oekraïne deze nu gebruikt om in totaal twaalf zeer verschillende halfgeleidermaterialen te karakteriseren, waaronder silicium, halogenide perovskietfilms, organische halfgeleiders zoals Y6, semi-isolatoren, zelf-assemblerende monolagen en nanodeeltjes. De resultaten zijn nu gepubliceerd in Nature Communications.

Onafhankelijke experts zoals prof. Vitaly Podzorov van de Rutgers University, VS, hebben de CLIMAT-methode 15 van de 16 punten toegekend in Nature Electronics en beschouw de nieuwe methode als baanbrekend.

In het bijzonder elimineert CLIMAT veel van de stappen die voorheen nodig waren voor verschillende metingen, waardoor kostbare tijd wordt bespaard. Begin 2024 werd de CLIMAT-methode goedgekeurd voor patentering door het Europees Octrooibureau onder nummer EP23173681.0. "Momenteel zijn er onderhandelingen gaande met bedrijven over het licentiëren van onze methode", zegt Musiienko. Het doel is een compact meetapparaat, ongeveer zo groot als een notebook.

Meer informatie: Artem Musiienko et al., Oplossen van elektronen- en gatentransporteigenschappen in halfgeleidermaterialen door constant licht-geïnduceerd magnetotransport, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44418-1

Aangeboden door Helmholtz Vereniging van Duitse Onderzoekscentra