Diamenty najlepszym przyjacielem chipa

Oprócz tego, że są „najlepszym przyjacielem kobiety”, diamenty mają szerokie zastosowania przemysłowe, na przykład w elektronice półprzewodnikowej.

Naukowcy pod kierunkiem Uniwersytetu w Kioto przełamali granicę rozdzielczości energetycznej konwencjonalnych pomiarów luminescencji (to zjawisko emisji fal świetlnych przez niektóre ciała, tzw. luminofory, wywołane przyczyną inną niż rozgrzanie ich do wysokiej temperatury, bezpośrednio obserwując delikatną strukturę związanych ekscytonów w niebieskim diamencie domieszkowanym borem, wykorzystując absorpcję optyczną).

Celem nowych technologii jest wytwarzanie syntetycznych kryształów o wysokiej czystości, które po dodaniu zanieczyszczeń będących donorami elektronów lub akceptorami innych pierwiastków stają się doskonałymi półprzewodnikami.

Te dodatkowe elektrony – czyli dziury – nie uczestniczą w wiązaniach atomowych, ale czasami wiążą się z ekscytonami (ekscyton to kwazicząsteczka powstała w wyniku korelacji elektronu i dziury, będących wynikiem oddziaływania kolumbowskiego pomiędzy nimi) – quasi-cząstkami składającymi się z elektronu i dziury elektronowej – w półprzewodnikach i innej skondensowanej materii.

To może powodować zmiany fizyczne, ale sposób, w jaki kompleks ekscytonów – stan związany dwóch dodatnio naładowanych dziur i jednego ujemnie naładowanego elektronu – objawia się w diamentach domieszkowanych borem, pozostaje niepotwierdzony.

Międzynarodowy zespół naukowców pod kierownictwem Uniwersytetu w Kioto określił obecnie wielkość interakcji spin-orbita w ekscytonach związanych z akceptorem w półprzewodniku.

– Przekroczyliśmy granicę rozdzielczości energetycznej konwencjonalnych pomiarów luminescencji , bezpośrednio obserwując delikatną strukturę związanych ekscytonów w niebieskim diamencie domieszkowanym borem, wykorzystując absorpcję optyczną – mówi kierownik zespołu Nobuko Naka z Graduate School of Science w KyotoU.

– Postawiliśmy hipotezę, że w ekscytonie dwie dodatnio naładowane dziury są silniej związane niż para elektron-dziura” – dodaje pierwsza autorka Shinya Takahashi.

Luminescencję wynikającą ze wzbudzenia termicznego można wykorzystać do obserwacji stanów wysokoenergetycznych, ale ta metoda pomiaru prądu poszerza linie widmowe i zaciera ultradrobne rozszczepienie.

Zamiast tego zespół Naki schłodził kryształ diamentu do temperatur kriogenicznych, uzyskując dziewięć pików w widmie absorpcji głębokiego ultrafioletu w porównaniu ze zwykłymi czterema pikami przy użyciu luminescencji.

Ponadto badacze opracowali model analityczny obejmujący efekt spin-orbita, aby przewidzieć pozycje energii i intensywności absorpcji.

– Nasze wyniki dostarczają przydatnych informacji na temat interakcji spin-orbita w układach wykraczających poza materiały półprzewodnikowe, takich jak fizyka atomowa i jądrowa. Głębsze zrozumienie materiałów może poprawić wydajność urządzeń diamentowych, takich jak diody elektroluminescencyjne, emitery kwantowe i detektory promieniowania – zauważa Naka.

Źródło: materiały Uniwersytetu w Kioto, zdjęcie zajawka: Colin Behrens/Pixabay