Yarı iletken heteroyapılar arasında elektronların hareketinin görüntülenmesi sağlandı [1]

J.J Thomson’nın 1897’de elektronu keşfetmesinden bu yana, bilim insanları atomaltı parçacıkların hareketini çeşitli araçlar kullanarak gözlemlemeye çalıştılar. Ancak, elektronların küçük ve hızlı parçacıklar olması elektron hareketlerini gözlemlemeyi oldukça zorlaştırdı. Ama bugün, Okinawa Bilim ve Teknoloji Yüksek Lisans Üniversitesi’nin (OIST) Femtosaniye Spektroskopisi Birimi’nin yapmış olduğu ve Nature Nanotechnology dergisinde yayınlanan yeni bir araştırma, bu işlemin çok daha kolay yapılabileceği iddiasını taşımakta.[2]

Çalışma düzeneğinin şematik gösterimi: 800 nm pompa atımla InSe/GaAs örneğnin iletken bandındaki elektronlar uyarılıyor. Bu fotonla uyarılan elekteronlar 266nm’lik zaman gecikmeli pompa atımı tarafından yayılıyor.

Günümüzde elektronların madde içinde yansıma ve iletim gibi optik özellikleri gözlemlenebiliyor. Bu çalışma ile, bunun dışında da madde içindeki hareketlerin görünürlüğünün nasıl sağlanacağı araştırılmak istenmiş. Elektron dinamiği üzerine yapılan güncel çalışmalar optik probların (ölçüm ucu) uzaysal çözünürlüğü, ya da elektronik probların zamansal çözünürlüğü ile sınırlıdır. Ya kesin zaman çözünürlüğünü yada uzayasal çözünürlüğü sağlayabilirsiniz. Ancak ikisi birden sağlanamamaktadır. Bu çalışmada ise elekronların güneş hücreleri içindeki hareketini görmek için femtosaniye atımlı pompa-sondaj tekniği ve spektroskopik fotoemisyon elektron mikroskop tekniğini birleştirerek fotonla uyarılan elektronun düşük enerji seviyesinden yüksek enerji seviyesine geçişini görüntülenmiş.

Malzeme üzerine ışık yansıttığınızda, ışık enerjisi eletronlar tarafından emilir ve onları düşük enerji seviyeyinden bir sonraki yüksek seviyeye taşır. Eğer ışık atımı maddeye çok kısa parlaklık veriyorsa (çok kısa, saniyede milyonda birden kısa milyarda bir- birkaç femto saniye) bu malzemede çok çabuk değişikliğe neden olur. Ancak bu değişim çok uzun sürmez, malzeme çok kısa bir sürede özgün durumuna geri döner. Güneş hücreleri gibi optoelektronik yarı iletken malzemeden yapılan aygıtların çalışma prensibi bu temele dayanmaktadır ve bu cihazların çalışması için, elektron yüksek seviyesinde bulunuyorken malzemeden enerji çıkar. Bu çalışmada, malzemenin bu durmunundaki değişimlerinin ve enerji kaybının nasıl olduğu araştırılmak istenmiş. Normalde bu kadar hızlı zaman ölçeğinde gerçekleşen bu durumuları ve etkilerini izleyemiyoruz. Çalışmada, II tip 2D InSe / GaAs heteroyapıları kullanarak yarı iletken cihazın içinde bu olguyu görselleştirmenin için bir yolu tanımlanıyor. Malzemeyi ışığa maruz kaldığı zaman nasıl değiştiğini anlamak için, malzeme oldukça kısa aralıklarla ve yoğun bir şekilde ışığa maruz bırakılıyor. İlk önce, malzemeyi femto saniye kızıl ötesi (800nm/1.55 ev) atımı göndererek uyarıyorlar. Daha sonra, zaman gecikmeli mor ötesi (266 nm/4.66eV) atımı ile uyarılmış elektronların GaAs ve InSe’nin iletim bantlarından yayılımını sağlıyorlar. Bu sürecin tamamını da görüntülüyorlar. Farklı pomp—probe zaman gecikmelerinden ortaya çıkan değişimleri ölçmeye devam ediyorlar.

Malzemeye ışın gönderdiğinizde ilk önce foton ayrılıyor, malzeme hızla ısınarak değişiyor.Malzeme özgün durumana dönerken soğumaya başlıyor. Bilinen görüntüleme yöntemleriyle elektron dinamiğindeki bu değişimler doğrudan gözlenemez: yansıma ölçülür ve daha sonra verilerin yorumlanmasına dayalı bir açıklama bulunulmaya çalışılır ve deneyin sonucunu açıklayak bir model yaratılır. Fakat gerçekte ne olduğu görülmez.

Işık demeti malzemeye çarptığında, bazı elektronları dışarı alır. Çalışmada, yer değiştiren elektronların geldiği yeri görüntülemek için elektron mikroskobu kullanılıyor. Ekip bunu birçok foton için defalarca yaparak, malzeme üzerindeki elektron dağılımının görüntüsünü yavaşça oluşturabiliyor. Yani örnek foton ile uyarılıyor, belli bir zaman bekleniyor, ve daha sonra inceleniyor ve fotonların ilk atışı ile diğer denenen fotonların arasındaki gecikme zamanı aynı tutularak süreç tekrar tekrar yapılıyor. Sonuçta, belirli bir gecikme zamanında malzeme içindeki pek çok elektronun yerinin görüntüsü sağlanabiliniyor.

Son olarak araştırmacılar iki atış arasındaki gecikme süresini değiştiriyor- biri uyarılan foton ve test olan- ve elektronların yerinin başka bir görüntüsünü oluşturuyorlar. Bir görüntü oluşturduktan sonra, test atışı daha da geciktiliyor, foto-uyarılması sonrasındaki zamanda elektronların pozisyonun tanımlayan görüntü serisi yaratıyorlar. Tüm bu görüntüleri ilmek ilmek işleyerek bir video yapıyorlar. Böylece, elektronların uyarılma düzeyine geçişini, ve orjinal düzeyine geri dönüşünü izleyebilir hale gelmesini sağlıyorlar. Bu araştırmanın, yarı iletken cihazların yapımında ve güneş hücrelerinin yönteminde potansiyel değişimleri gerçekleştirecek elektron hareketlerine yeni bir bakış açısı sağlayabileceği öngörülmekte. Bu yeni bakış açısının daha iyi ve verimli elektronik cihazların yapılmasına bir adım daha yaklaşan teknolojiye neden olacağı beklentisi oldukça yüksek.