Um físico do HZB desenvolveu um novo método para a caracterização abrangente de semicondutores em uma única medição. O "Magneto-Transporte Induzido por Luz Constante (CLIMAT)" é baseado no efeito Hall e permite o registro de 14 parâmetros diferentes de propriedades de transporte de portadores de carga negativa e positiva.



O método foi testado agora em doze materiais semicondutores diferentes e economizará um tempo valioso na avaliação de novos materiais para aplicações optoeletrônicas, como células solares.

Células solares, transistores, detectores, sensores e LEDs têm uma coisa em comum:são feitos de materiais semicondutores cujos portadores de carga só são liberados quando atingidos pela luz (fótons). Os fótons expulsam elétrons (portadores de carga negativa) de suas órbitas, que se movem pelo material até serem capturados novamente após um certo tempo.

Simultaneamente, buracos são criados nos locais onde faltam elétrons – esses buracos se comportam como portadores de carga carregados positivamente e também são importantes para o desempenho da respectiva aplicação. O comportamento dos portadores de carga negativa e positiva em semicondutores geralmente difere em ordens de grandeza em termos de mobilidade, comprimento de difusão e vida útil.

Até agora, os parâmetros das propriedades de transporte tinham que ser determinados separadamente para cada tipo de carga, utilizando diferentes métodos de medição.

Medição única

Como parte de sua bolsa de pós-doutorado Maria Skłodowska Curie, o físico do HZB Dr. Artem Musiienko desenvolveu agora um novo método que pode registrar todos os 14 parâmetros de portadores de carga positiva e negativa em uma única medição.

O "Transporte Magneto Induzido por Luz Constante (CLIMAT)" usa um campo magnético verticalmente através da amostra e uma fonte de luz constante para separação de carga. Os portadores de carga se movem ao longo de um campo elétrico e são desviados pelo campo magnético perpendicular à sua direção de movimento (efeito Hall) de acordo com sua massa, mobilidade e outras propriedades.

Um total de 14 propriedades diferentes podem ser determinadas a partir dos sinais e, em particular, as diferenças entre os sinais dos diferentes portadores de carga, Musiienko mostrou com um pequeno sistema de equações.

Portadores de carga positiva e negativa

"O CLIMAT fornece, assim, uma visão abrangente dos complicados mecanismos de transporte de carga, tanto portadores de carga positiva quanto negativa, com uma única medição. Isso nos permite avaliar novos tipos de materiais semicondutores muito mais rapidamente, por exemplo, quanto à sua adequação como células solares ou para outras aplicações", diz Musiienko.

Para demonstrar a ampla aplicabilidade do novo método, equipes de pesquisa do HZB, da Universidade de Potsdam e de outras instituições nos EUA, Suíça, Reino Unido e Ucrânia já o utilizaram para caracterizar um total de doze materiais semicondutores muito diferentes, incluindo silício, filmes de haleto de perovskita, semicondutores orgânicos como Y6, semi-isolantes, monocamadas automontadas e nanopartículas. Os resultados foram agora publicados na Nature Communications.

Especialistas independentes, como o Prof Vitaly Podzorov, da Rutgers University, EUA, atribuíram ao método CLIMAT 15 de 16 pontos na Nature Electronics e consideram o novo método inovador.

Em particular, o CLIMAT elimina muitas das etapas anteriormente necessárias para diferentes medições, poupando assim um tempo valioso. No início de 2024, o método CLIMAT foi aprovado para patenteamento pelo Instituto Europeu de Patentes sob o número EP23173681.0. “Atualmente estão em andamento negociações com empresas sobre o licenciamento do nosso método”, diz Musiienko. O objetivo é um dispositivo de medição compacto, do tamanho aproximado de um notebook.

Mais informações: Artem Musiienko et al, Resolvendo propriedades de transporte de elétrons e buracos em materiais semicondutores por transporte magnético induzido por luz constante, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44418-1
Fornecido pela Associação Helmholtz de Centros de Pesquisa Alemães