Физики впервые зафиксировали движение зарядов через границу полупроводников.

Принцип работы солнечных панелей основывается на генерации фотозарядов под воздействием солнечного излучения: свет попадает на полупроводниковый материал, возбуждая электроны — они получают энергию от фотонов и начинают перемещаться. Движение электронов и их отделение от положительно заряженных «дырок» создаёт ток, который можно использовать для питания электронных устройств.

Фотоэлектроны в полупроводнике теряют большую часть своей энергии за триллионные доли секунды, поэтому фотоэлементы генерируют лишь небольшую часть той энергии, которую содержат заряды в «горячем» состоянии, до их «охлаждения» — потери избыточной энергии в виде тепла.

Исследователям необходимо понять, как эти «горячие» заряды ведут себя при перемещении через различные полупроводниковые материалы, особенно на их границе — гетеропереходе. Гетеропереходы в полупроводниковых устройствах используются повсеместно, от лазеров до датчиков.

На этот раз ученые сосредоточились на гетеропереходе между кремнием и германием, которые часто применяются в полупроводниковой электронике. Они смогли визуализировать перенос зарядов через гетеропереход из одного полупроводникового материала в другой сразу после их генерации.

Ключ к их методике визуализации — использование ультрабыстрых лазерных импульсов в качестве затвора для пучка электронов, который сканирует поверхность материала с «горячими» фотозарядами. Каждый лазерный импульс разделяет два изображения исследуемого образца, а микроскоп делает до триллиона изображений в секунду, которые затем можно собрать в видео.

Если возбуждать заряды в однородных областях кремния или германия, «горячие» заряды будут двигаться быстро. Однако если заряд возбуждается рядом с гетеропереходом, часть зарядов будет захвачена и замедлит потенциал границы. Захват «горячих» зарядов снижает их подвижность, что может негативно сказаться на работе устройства, основанного на гетеропереходе.

Процесс захвата зарядов на гетеропереходах кремний/германий можно объяснить теорией полупроводников, но прямое экспериментальное наблюдение стало неожиданностью для ученых. Наблюдение этого явления может стать важным элементом для проектирования полупроводниковых устройств.

Способность визуализировать этот процесс на практике позволит ученым, работающим с полупроводниковыми материалами, проверять свои теории и подтверждать косвенные измерения.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.