Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Института физики микроструктур РАН (ИФМ РАН) провели серию оптических исследований германия, легированного мышьяком (материал относится к классу полупроводников). В ходе экспериментов на Новосибирском лазере на свободных электронах (ЛСЭ) исследовалось поведение электронов мышьяка в полупроводнике: частицы возбуждались за счет воздействия терагерцового излучения лазера, а затем ученые фиксировали время их релаксации, то есть возвращения в основное состояние, сообщает пресс-служба ИЯФ СО РАН. В результате было установлено, что это время составляет 0.5 – 1.5 наносекунды. Подобные измерения в будущем могут помочь при создании компактных лазеров нового типа, а также одноатомных транзисторов, которые в будущем могут стать основой для наноэлектроники. Работа выполнена в рамках гранта РНФ № 19-72-20163. Результаты опубликованы в журнале «Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики».

Полупроводники – это материалы, электрическая проводимость которых меняется в зависимости от внешних условий. Они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Структура таких материалов включает в себя несколько энергетических зон. Самую верхнюю из зон, заполненных электронами при температуре, равной абсолютному нулю, называют валентной зоной; первую из незаполненных электронами — зоной проводимости, а разделяет их запрещенная зона. В материалах, которые проводят электричество при любых условиях, эта зона фактически отсутствует, полупроводниками называют материалы с относительно небольшой запрещенной зоной, а в случае, если ее размер составляет более 4-5 эВ, материал считается диэлектриком.

Увеличения проводимости полупроводника можно добиться разными способами, один из них – добавление примесей или легирование. Существует два типа примесей: донорные – легко отдающие свободные электроны, и акцепторные – электроны принимающие. Мышьяк относится к числу донорных примесей. Для них важной характеристикой является энергия связи примеси – минимальная энергия, необходимая для отрыва электрона от донора и перехода в зону проводимости. Примеси встраиваются в кристаллическую решетку полупроводника и создают в запрещенной зоне дополнительные уровни энергии, на которых возбужденный электрон может находиться короткое время.

«После возбуждения электроны всегда возвращаются к равновесному состоянию, то есть релаксируют, измеряя и сравнивая времена релаксации можно построить схему наиболее вероятных маршрутов релаксации электронов, — рассказывает старший научный сотрудник ИФМ РАН, кандидат физико-математических наук Роман Жукавин. — Одной из изюминок полученных результатов стало то, что для мышьяка в германии в одном эксперименте получилось оценить время релаксации двух возбужденных уровней, когда излучение ЛСЭ переводило электроны с первого из них на второй, и возвращение к равновесию частично происходило за счет «подкачки» с основного уровня. В будущем это может помочь сделать вывод о возможности создания лазерной среды на основе германия с примесью мышьяка, кроме того, эти данные позволят понять возможные характеристики для одноатомного транзистора на основе донора в германии».

«Создать условия, при которых можно отследить процесс релаксации электронов в данном материале непросто, прежде всего, нужен специальный источник возбуждения с энергиями подходящими для этого материала — рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук, Юлия Чопорова. – Во-первых, терагерцовых лазеров на свободных электронах во всем мире не больше десяти. Во-вторых, на этом источнике необходима специальная пользовательская станция «накачка-зондирование» — таких в мире всего три, насколько мне известно. И, в-третьих, образец должен быть очень холодным (T=4К), иначе электроны примеси будут возбуждены за счет температурного нагрева — настолько маленькие энергии необходимо возбудить».

По словам Юлии Чопоровой, именно Новосибирский терагерцовый ЛСЭ дает возможность использовать его для работы с такими маленькими энергиями и временами. Лазер позволяет перестраивать длину волны излучения – это дает возможность подстроиться под конкретный возбужденный уровень электрона, а станция «накачка-зондирование» – измерять времена релаксации от 100 пикосекунд до 5 наносекунд.