p Os semicondutores estão no centro da maioria dos dispositivos eletrônicos que governam nossas vidas diárias. O funcionamento adequado dos dispositivos semicondutores depende de seus campos elétricos gerados internamente. Medir esses campos em nanoescala é crucial para o desenvolvimento de eletrônicos de última geração, mas as técnicas atuais são restritas a medições do campo elétrico na superfície de um semicondutor. Takayuki Iwasaki e um colaborador de pesquisadores relataram um novo método para detectar campos elétricos internos no interior de dispositivos semicondutores em operação. A técnica explora a resposta de um spin de um único elétron introduzido artificialmente a variações em seu campo elétrico circundante, e permitiu aos pesquisadores estudar um diodo semicondutor sujeito a tensões de polarização de até 150 V. p Iwasaki e colegas aplicaram seu método ao diamante, um chamado semicondutor de gap largo no qual os campos elétricos podem se tornar muito fortes - uma propriedade importante para aplicações eletrônicas de baixa perda. Diamond acomoda facilmente centros de vacância de nitrogênio (NV), um tipo de defeito pontual que surge quando dois átomos de carbono vizinhos são removidos da estrutura do diamante e um deles é substituído por um átomo de nitrogênio. Os centros NV podem ser criados rotineiramente em diamante por meio de implantação de íons. Um campo elétrico próximo afeta o estado de energia de um centro NV, que, por sua vez, pode ser sondado por um método denominado ressonância magnética detectada opticamente (ODMR).

p Os pesquisadores primeiro fabricaram um diodo de diamante p-i-n (uma camada intrínseca de diamante imprensada entre um elétron e uma camada dopada) embutido com centros NV. Eles, então, localizaram um centro NV na maior parte da camada i, várias centenas de nanômetros de distância da interface, e registrou seu espectro ODMR para aumentar as tensões de polarização. A partir desses espectros, os valores do campo elétrico podem ser obtidos por meio de fórmulas teóricas. Os valores experimentais foram então comparados com os resultados numéricos obtidos com um simulador de dispositivo e considerados em boa concordância - confirmando o potencial dos centros NV como sensores locais de campo elétrico.

p Iwasaki e colegas explicam que o valor determinado experimentalmente para o campo elétrico em torno de um determinado centro NV é essencialmente o componente do campo perpendicular à direção do centro NV - alinhado ao longo de uma das quatro direções possíveis na rede do diamante. Eles raciocinam que uma matriz regular de centros NV implantados deve permitir a reconstrução do campo elétrico com uma resolução espacial de cerca de 10 nm usando técnicas de super-resolução, que são promissores para estudar dispositivos mais complexos em estudos futuros.

p Os pesquisadores também apontam que a detecção de campo elétrico não é relevante apenas para dispositivos eletrônicos, mas também para aplicações eletroquímicas:a eficiência das reações eletroquímicas que ocorrem entre um semicondutor e uma solução depende do campo elétrico interno do primeiro. Além disso, Iwasaki e colegas de trabalho observam que sua abordagem não precisa ser restrita a centros NV em diamante - estruturas semelhantes de spin de um elétron existem em outros semicondutores como carboneto de silício, por exemplo.

p Semicondutores de gap largo

p Os materiais semicondutores apresentam uma chamada lacuna de banda:uma faixa de energia na qual não existem níveis de energia acessíveis. Para que um semicondutor conduza, os elétrons devem adquirir energia suficiente para superar o gap; controlar as transições eletrônicas através do gap forma a base da ação do dispositivo semicondutor. Semicondutores típicos como silício ou arseneto de gálio têm um gap da ordem de 1 elétron volt (eV). Semicondutores de gap largo, como diamante ou carboneto de silício, têm um gap maior - valores tão altos quanto 3-5 eV não são incomuns.

p Devido ao grande gap de banda, semicondutores de gap largo podem operar em temperaturas acima de 300 ° C. Além disso, eles podem sustentar altas tensões e correntes. Por causa dessas propriedades, semicondutores de gap largo têm muitas aplicações, incluindo diodos emissores de luz, transdutores, dispositivos de energia alternativa e componentes de alta potência. Para um maior desenvolvimento dessas e de outras aplicações futuras, é essencial ser capaz de caracterizar dispositivos de banda larga em operação. A técnica proposta por Iwasaki e colegas para medir o campo elétrico gerado em um semicondutor de gap largo sujeito a grandes tensões de polarização é, portanto, um passo crucial à frente.

p Centros de vacância de nitrogênio

p O diamante consiste em átomos de carbono dispostos em uma rede onde cada átomo tem quatro vizinhos formando um tetraedro. A rede de diamante é propensa a defeitos; um desses defeitos é o centro de vacância de nitrogênio (NV), que pode ser pensado como resultado da substituição de um átomo de carbono por um átomo de nitrogênio e da remoção de um átomo de carbono vizinho. O nível de energia de um centro NV encontra-se no intervalo de banda do diamante, mas é sensível ao ambiente local. Em particular, a chamada estrutura hiperfina nuclear de um centro NV depende de seu campo elétrico circundante. Essa dependência é bem entendida teoricamente, e foi explorado por Iwasaki e colegas de trabalho:a detecção de mudanças na estrutura hiperfina de um centro NV permitiu-lhes obter valores para o campo elétrico local. Uma grande vantagem desta abordagem é que permite monitorar o campo dentro do material - não apenas na superfície, para os quais métodos já foram desenvolvidos.

p Ressonância magnética detectada opticamente

p Para sondar a estrutura hiperfina nuclear de um centro NV na maior parte do dispositivo à base de diamante, Iwasaki e colegas empregaram ressonância magnética detectada opticamente (ODMR):irradiando a amostra com luz laser, o centro NV estava opticamente excitado, após o qual o espectro de ressonância magnética pode ser registrado. Um campo elétrico divide a ressonância ODMR; a largura de divisão detectada experimentalmente fornece uma medida para o campo elétrico.