Физики вуза обнаружили экситоны на границе зоны проводимости полупроводников

11:50, 24 января 2018

Открытие сделано совместно с коллегами из Института физики металлов УрО РАН при исследовании нанокристаллов оксида никеля

Нанокристаллы оксида никеля, снятые при помощи электронного микроскопа. Фото: Xianmei Xiang/Lanzhou Institute of Chemical Physics

Экситоны на границе запрещенной зоны выявили ученые УрФУ совместно с коллегами из Института физики металлов имени М. Н. Михеева УрО РАН при исследовании фундаментальных характеристик нанокристаллов оксида никеля. Запрещенная зона — это область значений энергии, которую нужно преодолеть электрону, чтобы вещество проводило ток. Экситоном называется связанная пара электрон-дырка, мигрирующая в кристалле и переносящая по нему энергию. Наличие экситона на границе запрещенной зоны искажает свойства проводимости физических тел, что представляет интерес при создании новейших наноэлектронных приборов. Результаты работы опубликованы в журнале Physica B: Physics of Condensed Matter.

Современный мир невозможно представить без электричества. По способности проводить ток все твердые тела, жидкости и при определенных условиях газы принято разделять на проводники и диэлектрики, пропускающие и не пропускающие электричество соответственно. Между ними расположились полупроводники. Под действием электрического поля от атомов в узлах решетки отрываются электроны, в результате чего образуется положительно заряженная дырка. Электроны путешествуют по кристаллу, перескакивая по «брешам» с одного атома на другой, перенося таким образом заряд и обеспечивая проводимость. Однако возможна и иная ситуация: электрон и дырка оказываются связаны и перемещаются совместно, словно пара танцующих, образуя экситон. В полупроводниках расстояние между ними не ограничивается периодом кристаллической решетки, то есть расстоянием между двумя соседними атомами. Именно это свойственно для экситонов Ванье — Мотта, обнаруженных российскими учеными.

«В физике полупроводников существует понятие края фундаментального поглощения, обозначающего границу поглощения света. Она соответствует запрещенной зоне — области значений энергии, которую необходимо преодолеть электрону при переходе из валентной зоны „обычных“ состояний в „возбужденную“ зону проводимости под действием электрического поля. Экситону для этого перехода не хватает энергии, а потому он остается на краю фундаментального поглощения, при этом искажая решетку полупроводника и изменяя свойства его проводимости», — поясняет один из авторов статьи, кандидат технических наук, доцент кафедры «Физические методы и приборы контроля качества» УрФУ Анатолий Зацепин.

В нормальных температурных условиях в полупроводниках перенос электрического заряда происходит в результате отрыва от атома электрона, преодолевшего запретную энергетическую зону, и его дальнейшего перехода по узлам кристаллической решетки. О существовании экситонов при этом говорить не приходится: их энергия и время жизни слишком малы. Однако при глубокой заморозке полупроводника (порядка −300 °С) они не гибнут, и их можно зарегистрировать, особенно применяя в качестве образца нанокристаллы (размеры которых не превышают десятимиллионной доли метра). В таких масштабах энергия связи электрон-дырка имеет обратную зависимость от размера кристалла: чем он меньше, тем крепче связь в экситоне.

«Мы исследовали фундаментальные характеристики нанокристаллов оксида никеля с добавлением примесных количеств магния. В результате мы обнаружили фотолюминесценцию — свечение, вызванное фотовозбуждением, — при рекомбинации пары электрон-дырка. Интересно, что изначально эти экситоны образовались при переносе заряда на краю примесного поглощения», — рассказывает Анатолий Зацепин.

В условиях температур, близких к абсолютному нулю, любое движение, в том числе колебательное, прекращается. Это явление накладывает определенные ограничения. Так, облучение нанокристалла светом коротковолнового диапазона, в частности, ультрафиолетом сообщает частицам большую энергию, однако существовать могут лишь низкоэнергетические состояния, например, экситонное. Неспособное обеспечить проводимость из-за строгого лимита подвижности, оно живет, пока «танец» электрона и дырки рано или поздно не завершается их схлопыванием и «гибелью» пары. При этом избыток энергии выделяется в виде излучения, спектр которого можно зарегистрировать. Именно так и были обнаружены экситоны. Особенностью полученного результата является то, что это состояние возникло при переходе электронов между атомами основного вещества полупроводника и включенными в его решетку примесями. И если само по себе существование экситонов в полупроводниках уже давно доказано, то факт их появления в результате поглощения света примесными атомами является настоящим открытием.

«Исследование столь тонких, можно сказать, интимных процессов представляет особый интерес как для теоретиков, занимающихся изучением зонной структуры полупроводников и диэлектриков, так и для разработчиков наноэлектронных устройств. Нанокристаллы как аккумуляторы можно использовать практически везде, начиная с компьютеров и смартфонов и заканчивая медициной. Технологии будущего: наноэлектроника и нанофотоника — тоже основаны на их применении. Наше исследование получит развитие в изучении характеристик тонких пленок из оксида никеля, где, вероятно, задействованы аналогичные механизмы, однако их особенности еще предстоит обнаружить», — заключает Анатолий Зацепин.

Работа выполнена в новом подразделении УрФУ — лаборатории «Фотоника и ВУФ-спектроскопия» кафедры физических методов и приборов контроля физико-технологического института УрФУ при участии зарубежных коллег из Гамбурга и Тартуского института физики Эстонской АН.