Os semicondutores são a base da eletrônica moderna. Eles são usados ​​em células solares, diodos emissores de luz (LEDs), microprocessadores em laptops e telefones celulares, e mais. A maioria deles é feita de silício, mas o silício tem suas limitações. Então, por décadas, os pesquisadores têm explorado novos materiais com propriedades que os tornam bons candidatos para o melhor, mais leve, e lâmpadas de baixo consumo de energia mais baratas, células solares, e mesmo - algum dia, talvez - "pintura" de aproveitamento de energia solar.

Para decidir se um novo material é promissor como semicondutor ou atende às especificações do fabricante, as empresas precisam ser capazes de contar essencialmente o número de "transportadores de carga" que se movem livremente flutuando dentro do material, bem como a sua mobilidade ou a facilidade com que são capazes de se mover. Portadores negativos são elétrons; portadores positivos são chamados de "buracos" e são lugares onde um elétron está faltando. Semicondutores são tipicamente dopados com impurezas para aumentar o número de elétrons livres em uma área do material e o número de orifícios livres em outra área do material, o que dá ao semicondutor um lado negativo e um lado positivo.

A maneira tradicional de medir a concentração de portadores de carga, chamado de método Hall, leva algum tempo e habilidade:requer a soldagem manual de uma série de contatos elétricos de metal em uma pastilha do material, expor essa bolacha a um campo magnético, aplicando uma corrente, e medindo uma voltagem. (Veja a animação.)

Novo x antigo:o teste tradicional para avaliar a qualidade de um semicondutor, chamado de método Hall, mede o número de portadores de carga que se movem livremente (elétrons e lacunas) em um material. Mas é bastante demorado para ser executado. Um novo, técnica mais rápida faz essa medição expondo o semicondutor à luz terahertz (THz), que é muito mais vermelho do que o olho humano pode ver. A luz THz brilha diretamente através de silício puro e outros materiais semicondutores. Mas é absorvido pelos elétrons e buracos que se movem livremente (adicionados ao material, dopando-o com impurezas ou expondo-o a certas frequências de luz). Quanto mais portadores de carga no material, menos luz THz brilha do outro lado. O método mede não apenas quantos portadores de carga existem no material, mas também com que facilidade eles se movem.

Mas embora o método Hall funcione bem para o silício, muitas vezes não funciona para muitos materiais exóticos promissores. "Os contatos não aderem, "diz Ted Heilweil do Laboratório de Medição Física do NIST (PML)." Você simplesmente não consegue fazer o material aderir. "

Heilweil e seus colegas do NIST têm explorado outra opção potencial, um método que não requer nenhum contato elétrico. Em vez de, envolve pulsos de luz brilhantes através de uma amostra do material semicondutor e medição da quantidade que sai do outro lado.

O novo método baseado em laser mede o número de portadores de carga no material usando radiação terahertz (THz), que tem um comprimento de onda muito maior do que o olho humano pode ver, na faixa do infravermelho distante ao microondas. Para THz light, silício puro e outros semicondutores são essencialmente invisíveis. Mas uma coisa que absorve essa luz são os portadores de carga em movimento livre. Então, quanto mais elétrons e buracos livres houver no material, quanto menos luz brilha.

Para ver o quão bem o método mais recente se compara à técnica tradicional de Hall, a equipe do NIST realizou os dois testes em uma ampla gama de wafers e cristais de amostra, todos disponíveis comercialmente e em estudo ativo pela indústria. As amostras incluíam bolachas de silício puro e bolachas de silício dopadas com várias impurezas, bem como pedaços de germânio e cristais de telureto de zinco, arsenieto de gálio, e fosforeto de gálio. As espessuras das amostras variaram de 300 micrômetros a apenas 4 ou 7 micrômetros - uma fração da espessura de um cabelo humano.

Robert Thurber do NIST PML, que passou décadas medindo wafers usando o método tradicional, testou cada amostra usando a técnica de Hall. Ele então passou essas amostras para o laboratório de Heilweil para teste com o aparelho terahertz. O pesquisador de pós-doutorado do NIST National Research Council (NRC), Brian Alberding, também trabalhou para realizar e analisar as medições ópticas.

O resultado? O método óptico funciona bem, Heilweil diz. Para os wafers de silício, os números dos métodos Hall e THz estavam de acordo - dentro de 50% um do outro - e também geralmente correspondiam ao que foi publicado por outros laboratórios no passado. Para as amostras que não são de silício, onde ambos os tipos de medição podem ser feitos, os valores também estavam de acordo, caindo nas incertezas de medição uns dos outros. Este sucesso dá aos pesquisadores mais confiança nas medições de THz que eles fizeram em materiais (como telureto de zinco) que não podem ser testados de forma confiável usando o método de Hall.

O estudo representa a primeira vez, para o conhecimento dos autores, que os métodos novos e antigos foram usados ​​nas mesmas amostras. "Sempre me incomodou que houvesse um método de contato e um método sem contato, mas não houve comparação entre os dois, "Heilweil diz." Usando essa abordagem, fomos capazes de fazer comparações muito boas. "

Um bônus desse método é que ele pode ser usado para estudar fotodopagem, ou o uso de luz para aumentar temporariamente a condutividade de um semicondutor. É basicamente assim que uma célula solar funciona:o Sol ilumina um material e um número igual de elétrons e buracos são gerados. Para este trabalho, os pesquisadores do NIST ativaram o material usando um segundo feixe de luz com uma frequência diferente, dependente do material que está sendo testado. Eles então usaram o feixe de terahertz para dizer quantos elétrons livres e buracos foram gerados, bem como sua mobilidade, ou a facilidade com que eles podem se mover pelo material.

Além de permitir a avaliação de materiais que não puderam ser testados antes, a técnica do laser poderia ser usada para um trabalho de controle de qualidade mais rápido para pastilhas de silício. Algum dia, o teste pode ser tão fácil quanto inserir uma amostra em um leitor óptico e obter um resultado quase imediatamente. Isso é potencialmente ótimo para pesquisa e desenvolvimento, Heilweil diz, porque as empresas podem testar novas ideias rapidamente, dispositivos, e materiais para ver se estão funcionando bem.

Por enquanto, no entanto, a técnica requer um sistema de laser caro, portanto, ele precisaria ser comercializado antes que pudesse ser integrado aos laboratórios da maioria dos fabricantes. Enquanto isso, Heilweil continua usando o método do laser para estudar materiais exóticos como o óxido de rutênio, um material condutor transparente e promissor, bem como grafeno e outros materiais 2-D condutores com camadas em nanoescala, que um dia poderia ser usado para pintar eletrônicos em superfícies. "Eu acho que se eu pudesse fazer uma pequena diferença na comunidade científica dessa forma, seria muito legal, "Heilweil diz.