通过扫描超快电子显微镜研究人员揭示了立方硼的热光载流子传输特性

在一项证实其作为下一代半导体材料的前景的研究中，加州大学圣巴巴拉分校的研究人员直接可视化了立方砷化硼单晶的光载流子传输特性。

“我们能够可视化样品中电荷的移动方式，”工程学院机械工程助理教授BolinLiao说。他和他的团队使用美国大学唯一运行的扫描超快电子显微镜(SUEM)装置，能够在这种研究相对较少的III-V半导体材料中制作光激发电荷的产生和传输过程的“电影”，它最近被认为具有非凡的电气和热性能。在这个过程中，他们发现了另一个有益的特性，增加了该材料作为下一个伟大半导体的潜力。

他们的研究是与休斯顿大学物理学教授任志峰团队合作进行的，该团队专门制造高质量的立方砷化硼单晶，发表在《物质》杂志上。

'敲钟'

砷化硼因其良好的性能而被视为替代计算机世界主要半导体材料硅的潜在候选者。一方面，随着硅的电荷迁移率提高，它很容易传导电流(电子及其带正电的对应物，“空穴”)。然而，与硅不同，它也很容易导热。

“这种材料的导热率实际上是硅的10倍，”廖说。他解释说，随着电子元件变得更小、更密集，这种热传导和释放能力尤其重要，并且聚集的热量威胁到设备的性能。

“随着你的手机变得越来越强大，你希望能够散热，否则你就会遇到效率和安全问题，”他说。“热管理一直是许多微电子设备的挑战。”

事实证明，导致这种材料的高导热性的原因也可能导致光载流子的有趣传输特性，即光激发的电荷，例如在太阳能电池中。如果经过实验验证，这将表明立方砷化硼也可以成为光伏和光检测应用的有前途的材料。然而，由于可用的高质量样品尺寸小，直接测量立方砷化硼中的光载流子传输一直具有挑战性。

该研究团队的研究结合了两项壮举：休斯顿大学团队的晶体生长技能和加州大学圣巴巴拉分校的成像能力。结合扫描电子显微镜和飞秒超快激光器的能力，UCSB团队构建了本质上是一款速度极快、分辨率极高的相机。

“电子显微镜具有非常好的空间分辨率——它们可以用亚纳米空间分辨率解析单个原子——但它们通常非常慢，”廖说，并指出这使得它们非常适合捕捉静态图像。

“通过我们的技术，我们将这种非常高的空间分辨率与超快激光相结合，它充当非常快的快门，具有极高的时间分辨率，”廖继续说道。“我们说的是一皮秒——百万分之一秒。所以我们可以制作这些微观能量和电荷传输过程的电影。”该方法最初是在加州理工学院发明的，后来在UCSB从头开始​​进一步开发和改进，现在是美国大学唯一可操作的SUEM设置。

“发生的情况是，我们有一个激发样品的激光脉冲，”Matter论文的第一作者、研究生研究员UsamaChoudhry解释说。“你可以把它想象成敲钟;它是一种随着时间慢慢减弱的巨响。”当他们“敲钟”时，他解释说，第二个激光脉冲被聚焦到一个光电阴极(“电子枪”)上，以产生一个短电子脉冲来对样品进行成像。然后他们随着时间的推移扫描电子脉冲以获得环的全貌。“只需进行大量此类扫描，您就可以获得电子和空穴如何被激发并最终恢复正常的电影，”他说。

他们在激发样品并观察电子返回其原始状态时观察到的事情之一是“热”电子持续多长时间。

“我们发现，令人惊讶的是，这种材料中被光激发的‘热’电子可以比传统半导体持续更长的时间，”廖说。这些“热”载流子被认为可以持续超过200皮秒，这一特性与材料的高导热性相同的特性有关。这种在更长时间内承载“热”电子的能力具有重要意义。

“例如，当你用光激发典型太阳能电池中的电子时，并不是每个电子都具有相同的能量，”乔杜里解释说。“高能电子的寿命很短，而低能电子的寿命很长。”他继续说，在从典型的太阳能电池中收集能量时，只有低能电子被有效收集。高能量的往往会以热量的形式迅速失去能量。由于高能载流子的持久性，如果将这种材料用作太阳能电池，则可以有效地从中获取更多能量。

砷化硼在三个相关领域(电荷迁移率、热导率和热光载流子传输时间)击败了硅，它有可能成为电子世界下一个最先进的材料。然而，在它能够与硅竞争之前，它仍然面临着巨大的障碍——大量制造高质量的晶体——大量的硅可以相对便宜且高质量地制造出来。但廖并没有看到太大的问题。

“由于多年的投资，硅现在通常可用;人们在1930年代和40年代左右开始开发硅，”他说。“我认为，一旦人们认识到这种材料的潜力，就会投入更多的精力来寻找生长和使用它的方法。UCSB在半导体开发方面拥有强大的专业知识，实际上在应对这一挑战方面处于独特的地位。”