Les semi-conducteurs de l’électronique moderne reposent sur de petites quantités d’impuretés ajoutées, appelées dopants, qui modifient la capacité du matériau à conduire l’électricité. Même si le rôle de ces dopants est souvent simple, ce n’est pas toujours le cas. Les électrons des dopants des oxydes complexes peuvent se comporter de manière très différente de ceux des semi-conducteurs conventionnels, comme le silicium.
Les chercheurs qui étudient ce qui se passe dans ces matériaux s’appuient généralement sur la spectroscopie photoélectronique, qui mesure les électrons expulsés des atomes par des ondes lumineuses à haute énergie. Cependant, cette technique nécessite que l’atome d’intérêt soit présent à hauteur d’un pour cent ou plus du matériau pour qu’un signal soit détectable. Les dopants présents dans de nombreux semi-conducteurs sont bien inférieurs à ces niveaux, ce qui rend difficile l'acquisition de données à leur sujet.
Une nouvelle étude publiée dans Physical Review Materials utilise la spectroscopie de photoémission résonante basée sur les rayons X pour examiner les électrons dans l'oxyde de strontium et de titane légèrement dopé sur silicium (STO/Si). Les chercheurs ont pu sonder et identifier les différents emplacements et énergies des électrons du dopant primaire dans STO/Si. Le niveau de dopant était de l'ordre du millième de pour cent, ce qui est considérablement inférieur à ce qui peut être étudié par spectroscopie photoélectronique conventionnelle.
Dans le système STO/Si, les électrons « libres » et mobiles peuvent être l'un des trois types principaux. Cela inclut ceux du film STO provenant du dopant STO primaire, ceux du dopant STO qui sont piégés à la surface du film STO et ceux qui sautent du dopant silicium dans le STO. Dans ce nouveau travail, les chercheurs ont pu observer des différences entre les états des électrons dopants dans la STO.
Dans les couches STO étudiées, le dopant n'est pas un nouvel atome ajouté au matériau mais est un atome (oxygène) absent du matériau. Ces lacunes en oxygène laissent derrière elles deux électrons capables de conduire l’électricité. Cependant, ces deux électrons peuvent également interagir fortement l'un avec l'autre, créant une structure électronique plus complexe.
Grâce à la spectroscopie de photoémission de rayons X résonnants, l’équipe a pu sonder séparément les différents états contenant les électrons des lacunes d’oxygène. L’expérience a été conçue pour examiner uniquement les couches supérieures du matériau, en évitant les zones plus profondes où résident les électrons dopants du silicium. Cela crée une simplification indispensable et permet aux chercheurs de se concentrer spécifiquement sur les électrons des lacunes en oxygène.
Les chercheurs ont découvert que les électrons piégés à la surface ont une énergie légèrement différente de celle des électrons qui se déplacent librement dans le corps du STO. Connaître le paysage énergétique aide les chercheurs à comprendre comment le piégeage des électrons à la surface affecte la conductivité électrique globale du STO.
"Cette approche est incroyablement puissante", a déclaré l'auteur principal Scott Chambers, chercheur au Pacific Northwest National Laboratory. "Nous avons pu 'voir' les électrons piégés en surface dans STO/Si pour la première fois. J'espère que d'autres utiliseront cette approche pour étudier différents semi-conducteurs légèrement dopés dotés de structures électroniques complexes."
Le travail a été réalisé en collaboration avec des chercheurs de l'Université du Texas-Arlington et de la Diamond Light Source.
Plus d'informations : S. A. Chambers et al, Sondage des propriétés électroniques des états d'espacement près de la surface des hétérojonctions n−SrTiO3−δ/i−Si(001) avec une sensibilité élevée, Physical Review Materials (2024). DOI :10.1103/PhysRevMatériaux.8.014602
Fourni par le Laboratoire national du Nord-Ouest du Pacifique
