Bola terang melambangkan pembawa muatan terikat (negatif dan positif) dalam material. Sinar cahaya memisahkan muatan-muatan ini, yang kemudian dibelokkan dengan cara berbeda dalam medan magnet yang diterapkan. Dengan metode CLIMAT, sekitar 14 parameter sifat transpor dalam semikonduktor dapat diukur dengan satu pengukuran, misalnya kepadatan, masa pakai, panjang difusi, dan mobilitas. Kredit: Laura Canil (www.canilvisuals.com)
Seorang fisikawan HZB telah mengembangkan metode baru untuk karakterisasi komprehensif semikonduktor dalam satu kali pengukuran. “Transportasi Magneto-Induksi Cahaya Konstan (CLIMAT)” didasarkan pada efek Hall dan memungkinkan untuk merekam 14 parameter berbeda dari sifat transportasi pembawa muatan negatif dan positif. Metode ini kini diuji pada dua belas bahan semikonduktor berbeda dan akan menghemat waktu berharga dalam menilai bahan baru untuk aplikasi optoelektronik seperti sel surya.
Sel surya, transistor, detektor, sensor, dan LED semuanya memiliki satu kesamaan: terbuat dari bahan semikonduktor yang pembawa muatannya hanya dilepaskan ketika terkena cahaya (foton). Foton menjatuhkan elektron (pembawa muatan negatif) keluar dari orbitnya, yang bergerak melalui material hingga ditangkap kembali setelah waktu tertentu. Secara bersamaan, lubang tercipta di tempat hilangnya elektron — lubang ini berperilaku seperti pembawa muatan bermuatan positif dan juga penting untuk kinerja aplikasi terkait.
Perilaku pembawa muatan negatif dan positif dalam semikonduktor seringkali berbeda berdasarkan besarnya mobilitas, panjang difusi, dan masa pakai. Hingga saat ini, parameter sifat transpor harus ditentukan secara terpisah untuk setiap jenis muatan, dengan menggunakan metode pengukuran yang berbeda.
Pengukuran tunggal
Sebagai bagian dari “Maria Skłodowska Curie Postdoctoral Fellowship,” fisikawan HZB Dr. Artem Musiienko kini telah mengembangkan metode baru yang dapat mencatat 14 parameter pembawa muatan positif dan negatif dalam satu pengukuran.
“Transportasi Magneto Induksi Cahaya Konstan (CLIMAT)” menggunakan medan magnet secara vertikal melalui sampel dan sumber cahaya konstan untuk pemisahan muatan. Pembawa muatan bergerak sepanjang medan listrik dan dibelokkan oleh medan magnet yang tegak lurus arah pergerakannya (efek Hall), sesuai dengan massa, mobilitas, dan sifat lainnya.
Sebanyak 14 sifat berbeda dapat ditentukan dari sinyal dan, khususnya, perbedaan antara sinyal pembawa muatan berbeda, Musiienko menunjukkan dengan sistem persamaan kecil yang rapi.
p dan n pembawa muatan
“CLIMAT memberikan wawasan komprehensif tentang mekanisme rumit pengangkutan muatan, baik pembawa muatan positif maupun negatif, dengan satu pengukuran. Hal ini memungkinkan kami mengevaluasi bahan semikonduktor jenis baru dengan lebih cepat, misalnya kesesuaiannya sebagai sel surya atau untuk aplikasi lain,” kata Musiienko.
Menguji bahan semikonduktor yang berbeda
Untuk menunjukkan penerapan luas dari metode baru ini, tim peneliti di HZB, Universitas Potsdam, dan institusi lain di AS, Swiss, Inggris, dan Ukraina kini telah menggunakannya untuk mengkarakterisasi dua belas bahan semikonduktor yang sangat berbeda, termasuk silikon, film perovskit halida, semikonduktor organik seperti Y6, semi-isolator, lapisan tunggal rakitan sendiri, dan nanopartikel. Hasilnya kini telah dipublikasikan di Komunikasi Alam.
Outlook: instrumen yang sangat kompak
Pakar independen seperti Prof Vitaly Podzorov dari Rutgers University, AS, memberikan penghargaan metode CLIMAT 15 dari 16 poin pada Elektronik Alam dan menganggap metode baru ini sebagai terobosan. Secara khusus, CLIMAT menghilangkan banyak langkah yang sebelumnya diperlukan untuk pengukuran berbeda sehingga menghemat waktu yang berharga. Pada awal tahun 2024, metode CLIMAT telah disetujui untuk dipatenkan oleh Kantor Paten Eropa dengan nomor EP23173681.0.
“Negosiasi sedang berlangsung dengan perusahaan mengenai perizinan metode kami,” kata Musiienko. Tujuannya adalah alat pengukur yang ringkas, seukuran buku catatan.
Referensi: “Menyelesaikan sifat transpor elektron dan lubang pada bahan semikonduktor dengan transpor magneto induksi cahaya konstan” oleh Artem Musiienko, Fengjiu Yang, Thomas William Gries, Chiara Frasca, Dennis Friedrich, Amran Al-Ashouri, Elifnaz Sağlamkaya, Felix Lang, Danny Kojda , Yi-Teng Huang, Valerio Stacchini, Robert LZ Hoye, Mahshid Ahmadi, Andrii Kanak dan Antonio Abate, 5 Januari 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-023-44418-1
