Neuartiges nanoskaliges Ultra

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Halbleiter sind grundlegende Komponenten moderner Energie-, Kommunikations- und unzähliger anderer Technologien. Seit Jahrzehnten wird an der Anpassung der zugrunde liegenden Nanostruktur von Halbleitern zur Optimierung der Geräteleistung geforscht. Nun haben Forscher der Universität Tsukuba und des Kooperationspartners UNISOKU Co., LTD. in einer kürzlich in Scientific Reports veröffentlichten Studie die Technologieentwicklung – benutzerfreundliche, zeitaufgelöste Rastertunnelmikroskopie (STM) – zur Messung erleichtert die Bewegung von Elektronen in Nanostrukturen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung auf eine Weise, die für die Optimierung der Nanostrukturleistung von unschätzbarem Wert sein wird.

Der Stromfluss durch Halbleiter und damit ihre Leistungsfähigkeit hängt von der Dynamik der Ladungsträger ab. Diese Dynamik kann extrem schnell sein. Ihre Dynamik kann beispielsweise mehr als 10 Milliarden Mal schneller sein als der Millisekundenbereich eines Wimpernschlags. Die optische Pump-Probe-STM (OPP) ist die derzeit modernste und wesentliche Methode zur Messung und Abbildung solcher Dynamiken in Halbleitern. Allerdings sind die bisherigen Messmethoden und Bildgebungssysteme für Laien zu kompliziert. Für die Datenerfassung und -interpretation sind spezielle Techniken erforderlich. Daher wollten die Forscher in dieser Studie auf einfache Bedienung und Benutzerfreundlichkeit eingehen.

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„OPP STM ist eine wesentliche Methode zur Messung der photoinduzierten Ladungsträgerdynamik in Nanostrukturen, erfordert jedoch technische Fortschritte, um den Anforderungen der ultraschnellen Beobachtung gerecht zu werden“, erklärt Professor Hidemi Shigekawa, leitender Autor. „Unsere Aktualisierungen des OPP STM ermöglichten die Untersuchung ultraschneller Ladungsträgerdynamik in einem gängigen Halbleitermaterial.“

Die Forscher berichten von besonders bemerkenswerten Techniken, die dazu beigetragen haben, die Leistung des entwickelten Systems zu optimieren. Sie führten einen Mechanismus zur elektrischen Steuerung der Laseroszillation sowie der Verzögerungszeit zwischen Pump- und Sondenlicht ein und konstruierten ein stabiles optisches System. Sie nutzten dieses benutzerfreundliche System, um die Dynamik ultraschneller Ladungsträger auf Galliumarsenidoberflächen zu messen. Es gelang ihnen auch, ihre Technik anzuwenden, um Defekte wie Stufenkanten und Terrassen mit der Ladungsträgerdynamik zu korrelieren. Diese Korrelation wurde teilweise durch die hohe Stabilität der Bildgebung ermöglicht, was bedeutet, dass sie über 16 Stunden an einer stabilisierten Lichtpunktposition durchgeführt wurde.

„Unsere Arbeit wird in Bereichen wie ultraschnellen optischen Kommunikationstechnologien und Photokatalyse von unschätzbarem Wert sein“, sagen die Forscher. „Der Zusammenhang zwischen der zugrunde liegenden Nanostruktur von Materialien und den entsprechenden fotoelektrischen Eigenschaften mithilfe dieser benutzerfreundlichen Methode wird grundlegende Erkenntnisse liefern, die für die Verbesserung der Funktionalität von Halbleiterbauelementen erforderlich sind.“

Mit dieser Arbeit gelang es, den Nutzen von OPP STM für die Untersuchung von Nanostruktur-Funktionsbeziehungen halbleitender Materialien wie Galliumarsenid und niedrigdimensionaler Materialien zu erweitern. Das unkomplizierte experimentelle Design der Forscher wird Forschern in verschiedenen Bereichen dabei helfen, die fotoelektrische Leistung beispielsweise von integrierten Schaltkreisen und Leuchtdioden für ultraschnelle optische Kommunikationstechnologien zu verbessern. Die Leistung des zeitaufgelösten OPP-STM kann durch Optimierung der Wellenlänge und zeitlichen Breite des gepulsten Lasers weiter verbessert werden; Es werden erhebliche Entwicklungen erwartet.

Referenz: Iwaya K, Yokota M, Hanada H, et al. Extern auslösbare optische Pump-Probe-Rastertunnelmikroskopie mit einer Zeitauflösung von zehn Pikosekunden. Sci Rep. 2023;13(1):818. doi: 10.1038/s41598-023-27383-z

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