Un physicien du HZB a développé une nouvelle méthode pour la caractérisation complète des semi-conducteurs en une seule mesure. Le "Constant Light-Induced Magneto-Transport (CLIMAT)" est basé sur l'effet Hall et permet l'enregistrement de 14 paramètres différents des propriétés de transport des porteurs de charge négatifs et positifs.
La méthode a maintenant été testée sur douze matériaux semi-conducteurs différents et permettra de gagner un temps précieux dans l'évaluation de nouveaux matériaux pour des applications optoélectroniques telles que les cellules solaires.
Les cellules solaires, les transistors, les détecteurs, les capteurs et les LED ont tous un point commun :ils sont constitués de matériaux semi-conducteurs dont les porteurs de charge ne sont libérés que lorsqu'ils sont frappés par la lumière (photons). Les photons font sortir les électrons (porteurs de charge négative) de leurs orbites, qui se déplacent à travers le matériau jusqu'à ce qu'ils soient à nouveau capturés après un certain temps.
Simultanément, des trous sont créés aux endroits où les électrons manquent :ces trous se comportent comme des porteurs de charge chargés positivement et sont également importants pour les performances de l'application respective. Le comportement des porteurs de charge négatifs et positifs dans les semi-conducteurs diffère souvent de plusieurs ordres de grandeur en termes de mobilité, de longueurs de diffusion et de durée de vie.
Jusqu'à présent, les paramètres des propriétés de transport devaient être déterminés séparément pour chaque type de charge, en utilisant différentes méthodes de mesure.
Dans le cadre de sa bourse postdoctorale Maria Skłodowska Curie, le physicien du HZB, le Dr Artem Musiienko, a développé une nouvelle méthode capable d'enregistrer les 14 paramètres des porteurs de charge positifs et négatifs en une seule mesure.
Le "Constant Light-Induced Magneto-Transport (CLIMAT)" utilise un champ magnétique vertical à travers l'échantillon et une source de lumière constante pour la séparation des charges. Les porteurs de charge se déplacent le long d'un champ électrique et sont déviés par le champ magnétique perpendiculairement à leur direction de mouvement (effet Hall) en fonction de leur masse, de leur mobilité et d'autres propriétés.
Au total, 14 propriétés différentes peuvent être déterminées à partir des signaux et, en particulier, des différences entre les signaux des différents porteurs de charge, a montré Musiienko avec un petit système d'équations soigné.
"CLIMAT fournit ainsi un aperçu complet des mécanismes complexes du transport de charges, tant positives que négatives, avec une seule mesure. Cela nous permet d'évaluer beaucoup plus rapidement de nouveaux types de matériaux semi-conducteurs, par exemple pour leur adéquation en tant que cellules solaires. ou pour d'autres applications", explique Musiienko.
Pour démontrer la large applicabilité de la nouvelle méthode, des équipes de recherche du HZB, de l'Université de Potsdam et d'autres institutions aux États-Unis, en Suisse, au Royaume-Uni et en Ukraine l'ont utilisée pour caractériser un total de douze matériaux semi-conducteurs très différents, notamment le silicium, les films halogénures de pérovskite, les semi-conducteurs organiques tels que le Y6, les semi-isolants, les monocouches auto-assemblées et les nanoparticules. Les résultats ont maintenant été publiés dans Nature Communications.
Des experts indépendants tels que le professeur Vitaly Podzorov de l'Université Rutgers, aux États-Unis, ont attribué à la méthode CLIMAT 15 points sur 16 dans Nature Electronics. et considérons la nouvelle méthode comme révolutionnaire.
En particulier, CLIMAT élimine de nombreuses étapes auparavant nécessaires pour différentes mesures, permettant ainsi de gagner un temps précieux. Début 2024, la méthode CLIMAT a été brevetée par l'Office européen des brevets sous le numéro EP23173681.0. "Des négociations sont actuellement en cours avec des entreprises pour obtenir une licence pour notre méthode", explique Musiienko. L'objectif est un appareil de mesure compact, de la taille d'un ordinateur portable.
Plus d'informations : Artem Musiienko et al, Résolution des propriétés de transport d'électrons et de trous dans les matériaux semi-conducteurs par transport magnéto induit par la lumière constante, Nature Communications (2024). DOI :10.1038/s41467-023-44418-1
Fourni par l'Association Helmholtz des centres de recherche allemands
