הכדורים הבהירים מסמלים נושאי מטען קשורים (שליליים וחיוביים) בחומר. אלומת האור מפרידה את המטענים הללו, אשר לאחר מכן מוסטים בדרכים שונות בשדה המגנטי המופעל. בשיטת CLIMAT, ניתן למדוד בסביבות 14 פרמטרים שונים של מאפייני התחבורה במוליכים למחצה במדידה בודדת, למשל, צפיפות, משך חיים, אורכי דיפוזיה וניידות. קרדיט: לורה קאניל (www.canilvisuals.com)
פיזיקאי HZB פיתח שיטה חדשה לאפיון מקיף של מוליכים למחצה במדידה אחת. "המגנטו-טרנספורט המושרה על ידי אור קבוע (CLIMAT)" מבוסס על אפקט הול ומאפשר להקליט 14 פרמטרים שונים של תכונות הובלה של נושאי מטען שלילי וחיובי. השיטה נוסתה כעת על שנים עשר חומרים מוליכים למחצה שונים ותחסוך זמן יקר בהערכת חומרים חדשים ליישומים אופטואלקטרוניים כגון תאים סולאריים.
לתאים סולאריים, טרנזיסטורים, גלאים, חיישנים ולדים יש דבר אחד במשותף: הם עשויים מחומרים מוליכים למחצה שנשאי המטען שלהם משתחררים רק כאשר הם נפגעים מאור (פוטונים). הפוטונים דופקים אלקטרונים (נושאי מטען שלילי) ממסלוליהם, אשר נעים בחומר עד שהם נלכדים שוב לאחר זמן מסוים. במקביל, נוצרים חורים במקומות שבהם האלקטרונים חסרים – חורים אלה מתנהגים כמו נושאי מטען חיוביים והם גם חשובים לביצוע היישום המתאים.
ההתנהגות של נושאי מטען שלילי וחיובי במוליכים למחצה נבדלת לעתים קרובות בסדרי גודל במונחים של ניידות, אורכי דיפוזיה ואורך חיים. עד כה, הפרמטרים של מאפייני ההובלה היו צריכים להיקבע בנפרד עבור כל סוג מטען, תוך שימוש בשיטות מדידה שונות.
מדידה בודדת
כחלק מ"מלגת הפוסט-דוקטורט של מריה סקלודובסקה קירי", הפיזיקאי HZB ד"ר ארטם מוסיינקו פיתח כעת שיטה חדשה שיכולה לתעד את כל 14 הפרמטרים של נושאי מטען חיוביים ושליליים במדידה אחת.
"המגנטו-טרנספורט המושרה על ידי אור קבוע (CLIMAT)" משתמש בשדה מגנטי אנכית דרך המדגם ומקור אור קבוע להפרדת מטען. נושאי המטען נעים לאורך שדה חשמלי ומוסטים על ידי השדה המגנטי בניצב לכיוון התנועה שלהם (אפקט הול), לפי המסה, הניידות ותכונותיהם האחרות.
ניתן לקבוע בסך הכל 14 מאפיינים שונים מהאותות, ובמיוחד, את ההבדלים בין האותות של נושאי המטען השונים, הראה מוסיינקו עם מערכת משוואות קטנה ומסודרת.
p ו-n נושאות מטען
"CLIMAT מספק אפוא תובנה מקיפה על המנגנונים המסובכים של הובלת מטען, הן נושאות מטען חיוביות ושליליות, עם מדידה אחת. זה מאפשר לנו להעריך סוגים חדשים של חומרים מוליכים למחצה הרבה יותר מהר, למשל לגבי התאמתם כתאים סולאריים או ליישומים אחרים", אומר מוסיינקו.
בדיקת חומרים מוליכים למחצה שונים
כדי להדגים את הישימות הרחבה של השיטה החדשה, צוותי מחקר ב-HZB, באוניברסיטת פוטסדם ובמוסדות אחרים בארה"ב, שוויץ, בריטניה ואוקראינה השתמשו בה כעת כדי לאפיין בסך הכל שנים עשר חומרים מוליכים למחצה שונים מאוד, כולל סיליקון, סרטי הליד פרוסקיט, מוליכים למחצה אורגניים כגון Y6, מבודדים למחצה, מונו-שכבות בהרכבה עצמית וננו-חלקיקים. התוצאות פורסמו כעת ב תקשורת טבע.
Outlook: מכשיר מאוד קומפקטי
מומחים בלתי תלויים כמו פרופ' ויטלי פודז'רוב מאוניברסיטת רוטגרס, ארה"ב, העניקו לשיטת CLIMAT 15 מתוך 16 נקודות ב- טבע אלקטרוניקה ורואים את השיטה החדשה כפורצת דרך. במיוחד, CLIMAT מבטל הרבה מהשלבים שנדרשו בעבר למדידות שונות ובכך חוסך זמן יקר. בתחילת 2024, שיטת CLIMAT אושרה לרישום פטנט על ידי משרד הפטנטים האירופי תחת המספר EP23173681.0.
"נערך כעת משא ומתן עם חברות לגבי רישוי השיטה שלנו", אומר מוסיינקו. המטרה היא מכשיר מדידה קומפקטי, בערך בגודל של מחברת.
