חידת אקסיטון: פתיחת הסודות של מוליכים למחצה דו-ממדיים ברמה האטומית

חוקרים חושפים כיצד מועבר מטען חשמלי בממשקים רק עובי אטומים בין מוליכים למחצה.

מוליכים למחצה נמצאים בכל מקום בטכנולוגיה עכשווית, המשמשים להקל או לחסום את זרימת החשמל. על מנת להבין את הפוטנציאל של דו מימד מוליכים למחצה עבור טכנולוגיות מחשב ופוטו-וולטאיות עתידיות, חוקרים מאוניברסיטאות גטינגן, מרבורג וקיימברידג' חקרו את הקשר שנבנה בין האלקטרונים והחורים הכלולים בחומרים אלה.

על ידי שימוש בשיטה מיוחדת לפירוק הקשר בין אלקטרונים וחורים, הם הצליחו לקבל תובנה מיקרוסקופית לגבי תהליכי העברת מטען על פני ממשק מוליכים למחצה. התוצאות פורסמו ב התקדמות המדע.

כאשר אור זורח על מוליך למחצה, האנרגיה שלו נספגת. כתוצאה מכך, אלקטרונים בעלי מטען שלילי וחורים בעלי מטען חיובי מתחברים במוליך למחצה ויוצרים זוגות, הידועים כאקסיטונים. במוליכים למחצה הדו-ממדיים המודרניים ביותר, לאקסיטונים אלו יש אנרגיית קישור גבוהה במיוחד. במחקרם הציבו החוקרים לעצמם את האתגר לחקור את החור של האקסיטון.

כפי שמסביר הפיזיקאי והמחבר הראשון יאן פיליפ באנגה מאוניברסיטת גטינגן: "במעבדה שלנו, אנו משתמשים בספקטרוסקופיה פוטו-פליטה כדי לחקור כיצד קליטת האור בחומרים קוונטיים מובילה לתהליכי העברת מטען. עד כה, התרכזנו באלקטרונים שהם חלק מצמד האלקטרון-חור, אותם נוכל למדוד באמצעות מנתח אלקטרונים. עד כה, לא הייתה לנו דרך לגשת ישירות לחורים עצמם. אז התעניינו בשאלה איך נוכל לאפיין לא רק את האלקטרון של האקסיטון אלא גם את החור שלו".

טכניקות ניסוי חדשניות

כדי לענות על שאלה זו, החוקרים, בראשות ד"ר מרסל רויטל ופרופסור סטפן מתיאס בפקולטה לפיזיקה של אוניברסיטת גטינגן, השתמשו במיקרוסקופ מיוחד לפוטואלקטרונים בשילוב עם לייזר בעוצמה גבוהה. בתהליך, פירוק של אקסיטון מוביל לאובדן אנרגיה באלקטרון שנמדד בניסוי.

רעוצל מסביר: "אובדן אנרגיה זה אופייני לאקסיטונים שונים, בהתאם לסביבה שבה האלקטרון והחור מתקשרים זה עם זה". במחקר הנוכחי, החוקרים השתמשו במבנה המורכב משני מוליכים למחצה דקים אטומית שונים כדי להראות שהחור של האקסיטון עובר משכבת ​​מוליכים למחצה אחת לאחרת, בדומה לתא סולארי. הצוות של פרופסור ארמין מאליץ' באוניברסיטת מרבורג הצליח להסביר את תהליך העברת המטען הזה באמצעות מודל לתיאור מה שקורה ברמה מיקרוסקופית.

מתיאס מסכם: "בעתיד, אנו רוצים להשתמש בחתימה הספקטרוסקופית של האינטראקציה בין אלקטרונים וחורים כדי לחקור שלבים חדשים בחומרים קוונטיים בסקאלות זמן ואורך קצרות במיוחד. מחקרים כאלה יכולים להוות בסיס לפיתוח טכנולוגיות חדשות ואנו מקווים לתרום לכך בעתיד".

מחקר זה נהנה ממימון קרן המחקר הגרמנית (DFG) עבור מרכזי המחקר השיתופי "שליטה בקנה מידה אטומי של המרת אנרגיה" ו"מתמטיקה של ניסוי" בגטינגן ו"מבנה ודינמיקה של ממשקים פנימיים" במרבורג.