Mais alors que la méthode Hall fonctionne bien pour le silicium, cela ne fonctionne souvent pas du tout pour de nombreux matériaux exotiques prometteurs. "Les contacts n'adhèrent pas, ", déclare Ted Heilweil du Laboratoire de mesure physique (PML) du NIST. "Vous ne pouvez tout simplement pas faire tenir le matériel."

Heilweil et ses collègues du NIST ont exploré une autre option potentielle, une méthode qui ne nécessite aucun contact électrique. Au lieu, cela implique de projeter des impulsions lumineuses à travers un échantillon du matériau semi-conducteur et de mesurer la quantité qui sort de l'autre côté.

La nouvelle méthode laser mesure le nombre de porteurs de charge dans le matériau à l'aide d'un rayonnement térahertz (THz), qui a une longueur d'onde beaucoup plus longue que ce que l'œil humain peut voir, dans l'infrarouge lointain jusqu'aux micro-ondes. À la lumière THz, le silicium pur et les autres semi-conducteurs sont essentiellement invisibles. Mais une chose qui absorbe cette lumière est le déplacement libre des porteurs de charge. Donc plus il y a d'électrons libres et de trous dans le matériau, moins il y a de lumière.

Pour voir à quel point la nouvelle méthode se compare à la technique Hall traditionnelle, l'équipe du NIST a effectué les deux tests sur une large gamme d'échantillons de plaquettes et de cristaux, tous disponibles dans le commerce et en cours d'étude par l'industrie. Les échantillons comprenaient à la fois des plaquettes de silicium pur et des plaquettes de silicium dopées avec diverses impuretés, ainsi que des morceaux de germanium et des cristaux de tellurure de zinc, arséniure de gallium, et le phosphure de gallium. Les épaisseurs des échantillons allaient de 300 micromètres à seulement 4 ou 7 micromètres – une fraction de l'épaisseur d'un cheveu humain.

Robert Thurber du NIST PML, qui a passé des décennies à mesurer des plaquettes en utilisant la méthode traditionnelle, testé chaque échantillon en utilisant la technique de Hall. Il a ensuite transmis ces échantillons au laboratoire de Heilweil pour qu'ils soient testés avec l'appareil térahertz. Le chercheur postdoctoral du NIST National Research Council (NRC) Brian Alberding a également travaillé pour effectuer et analyser les mesures optiques.

Le résultat? La méthode optique fonctionne bien, dit Heilweil. Pour les plaquettes de silicium, les chiffres des méthodes Hall et THz étaient en bon accord - à moins de 50 % l'un de l'autre - et correspondaient également généralement à ce qui a été publié par d'autres laboratoires dans le passé. Pour les échantillons sans silicium où les deux types de mesure pourraient être effectués, les valeurs étaient également en bon accord, tombant dans les incertitudes de mesure de l'autre. Ce succès donne aux chercheurs plus de confiance dans les mesures THz qu'ils ont effectuées sur des matériaux (tels que le tellurure de zinc) qui ne peuvent pas être testés de manière fiable à l'aide de la méthode Hall.

L'étude représente la première fois, à la connaissance des auteurs, que les nouvelles et les anciennes méthodes ont été utilisées sur les mêmes échantillons. "Ça m'a toujours dérangé qu'il y ait une méthode contact et une méthode sans contact, mais il n'y avait pas de comparaison entre les deux, " Heilweil dit. " En utilisant cette approche, nous avons pu faire de très bonnes comparaisons."

Un bonus pour cette méthode est qu'elle peut être utilisée pour étudier le photo-dopage, ou l'utilisation de la lumière pour augmenter temporairement la conductivité d'un semi-conducteur. Voici en gros comment fonctionne une cellule solaire :le Soleil illumine un matériau et un nombre égal d'électrons et de trous sont générés. Pour ce travail, les chercheurs du NIST ont activé le matériau à l'aide d'un deuxième faisceau de lumière avec une fréquence différente, dépend du matériau à sonder. Ils ont ensuite utilisé le faisceau térahertz pour leur dire combien d'électrons libres et de trous ont été générés, ainsi que leur mobilité, ou avec quelle facilité ils peuvent se déplacer dans le matériau.

En plus de permettre l'évaluation de matériaux qui n'ont pas pu être testés auparavant, la technique laser pourrait être utilisée pour un travail de contrôle de qualité plus rapide pour les plaquettes de silicium. Un jour, le test peut être aussi simple que d'insérer un échantillon dans un lecteur optique et d'obtenir un résultat presque immédiatement. C'est potentiellement formidable pour la recherche et le développement, Heilweil dit, parce que les entreprises pouvaient tester rapidement de nouvelles idées, dispositifs, et des matériaux pour voir à quel point ils fonctionnent.

Pour l'instant, bien que, la technique nécessite un système laser coûteux, il faudrait donc qu'il soit commercialisé avant de pouvoir être intégré dans les laboratoires de la plupart des fabricants. Pendant ce temps, Heilweil continue d'utiliser la méthode laser pour étudier des matériaux exotiques tels que l'oxyde de ruthénium, un matériau conducteur transparent prometteur, ainsi que du graphène et d'autres matériaux conducteurs 2-D avec des couches nanométriques, qui pourrait un jour être utilisé pour peindre de l'électronique sur des surfaces. "Je pense que si je pouvais faire un petit trou dans la communauté scientifique de cette façon, ce serait très cool, " dit Heilweil.