在物理学中解锁一个140岁的秘密神秘

载波解决的照片霍尔效应。

半导体是当今数字，电子时代的基本构建块，为我们提供了一种使我们的现代生活中的多种设备，包括计算机，智能手机和其他移动设备。半导体功能和性能的改进同样可以实现用于计算，感测和能量转换的半导体的下一代应用。然而，研究人员长期以来一直在努力，在我们完全了解半导体器件内的电子电荷和先进的半导体材料的能力，限制了我们推动进一步进步的能力。

在新的研究中的新研究[1]中，IBM研究导向的合作描述了一个在物理学中的140岁的神秘处令人兴奋的突破 - 使我们能够以更大的细节和援助来解锁半导体的物理特征在开发新的和改进的半导体材料。

为了真正了解半导体的物理学，我们首先需要了解材料内部电荷载体的基本特性，这些颗粒是否在施加的电场下的速度，它们在材料中填充多样性。物理学家Edwin Hall发现了一种方法来确定1879年[2]的方法，当他发现磁场将偏转导体内的电子电荷的移动并且可以测量偏转量作为垂直于流动的电压测量电荷如图1所示。该电压，称为霍尔电压，解锁了关于半导体中的电荷载波的基本信息，包括是否是称为“孔的正电子或正准粒子”，它们在电场或其“移动性”中移动有多速度（ µ）它们在半导体内部的密度（n）。

图1（a）霍尔效应。（b）载波解决的照片厅效应。

大厅发现之后的数十年，研究人员还认识到他们可以用光进行霍尔效应测量 - 这称为照片厅实验，如图2所示。1B。在这样的实验中，光照射在半导体中产生多个载波或电子孔对。不幸的是，我们对基本霍尔效应的理解只为占主导地位载体（或多数载波）提供了见解。研究人员无法同时提取两个载波（多数和少数载体）的性质。这些信息对于许多涉及诸如太阳能电池和其他光电器件的光的应用至关重要。

IBM Research在Nature中的研究解锁了一个霍尔效应的长期秘密。来自KAIST（韩国高级科学技术研究所）的研究人员，克里克（韩国化学技术），杜克大学，IBM和IBM发现了一种新的公式和技术，使我们能够同时提取大多数和少数群体的信件信息和移动性，以及增加载体寿命，扩散长度和重组过程的额外见解。

更具体地，在光厅实验中，两个载波都有助于导σ电性（）和霍尔系数（H，其与霍尔电压与磁场的比例成比例）。关键洞察力来自测量电导率和霍尔系数作为光强度的函数。隐藏在电导率 - 霍尔系数（-H）曲线的轨迹中σ，揭示了一个至关重要的新信息：两个载体的移动性差异。如本文中所述，这种关系可以优雅地表达：Δµ = D（h）/ dσ²σ

从传统的霍尔测量中的众所周知的大多数载流子密度开始，我们可以为多数和少数竞争率的迁移率和密度作为光强度的函数来解决。该团队命名为新技术运营商解决的照片厅（CRPH）测量。利用已知的光照射强度，可以类似地建立载体寿命。这种关系和相关的解决方案已经隐藏在近一个世纪以来，自霍尔效应的发现以来。

除了这种理论上的进步之外，实验技术的进步对于实现这种新技术也是至关重要的。该技术需要一个清洁的霍尔信号测量，这对于霍尔信号弱（例如由于低迁移率而言）或存在额外的不需要的信号时，这可能是挑战的，例如在强光照射下的额外不需要的信号。为此目的，需要使用振荡（AC）磁场进行霍尔测量。与收听收音机一样，必须选择所需的电台的频率，同时拒绝充当噪声的所有其他频率。CRPH技术更进一步，不仅选择所需的频率，还可以选择所谓的磁场的振荡磁场的相位。AC霍尔测量的这种概念已经知道，但是使用电磁线圈系统产生交流磁场的传统技术效率低下。

图2（a）凸轮背场限制效果。（b）平行偶极线（DPL）磁力陷阱系统。（c）IBM DPL HALL SUSTEM。

经常发生在科学中，一个领域的进步被另一个区域的发现触发。2015年，IBM研究报告了与新的磁场限制效果相关的物理学中先前未知的现象，绰号为“驼背”效应[3]，当它们超过临界长度时发生在两条横向偶极子之间。 2a。效果是一种关键特征，使得新型的自然磁阱，称为平行偶极线（PDL）陷阱，如图2所示。2B。PDL磁阱可以用作各种传感器应用的新颖平台，例如TILTMETER和地震计（地震传感器）。这种新颖的传感器系统与大数据技术一起可以开辟许多新应用程序，并且是由IBM研究团队进行的大型数据分析平台进行了研究，该平台称为IBM物理分析集成存储库服务（对），其托管Myriad GeoSpatial和Internet Internet Internet（IoT ）传感器数据。

令人惊讶的是，相同的PDL元素具有另一个独特的应用。当旋转时，它用作照片厅实验的理想系统，以获得强，单向和纯谐波磁场振荡（图2C）。更重要的是，该系统提供充足的空间，以允许大面积照明到样品上，这对于照片厅实验至关重要。

影响

新开发的照片馆技术使我们能够从半导体中提取惊人的信息。相反，只有三个参数在经典霍尔测量中获得，这种新技术在每个测试的光强度下产生最多七个参数[1]。这些包括电子和孔的移动性;它们在光下的载流子密度;重组寿命;电子，孔和amipolar类型的扩散长度。所有这些都可以重复n次（即实验中使用的光强度设置的数量）。

这一新的发现和技术将有助于推动现有和新兴技术的半导体进步。我们现在具有详细细节提取半导体材料的物理特性所需的知识和工具。例如，这将有助于加速下一代半导体技术的发展，例如更好的太阳能电池，更好的光电子设备和用于人工智能技术的新材料和设备。

参
考文献：[1] O. Gunawan等人。，载波解决的照片
厅效应，自然（2019）。[2] E. H. Hall，关于电流对电流的新动作。 J.数学。2,287（1879）。[3]
“在IBM Research Blog，www.ibm.com/blogs/research/2017/10/new-efticalism（2017）;（2017）;”并引用其中。

“运营商 - 已解决的照片霍尔效应”由Oki Gunawan，Seong Ryul Pae，Douglas M.主教，Yudistira Virgus，Jun Hong Noh，Nam Goong Jeon，Yun Seog Lee，Xiaoyan Shao，Teodor Todorov，David B. Mitzi和Byungha Shin ，2019年10月7日，Nature.Doi：
10.1038 / S41586-019-1632-2