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    半导体材料质量检测灵敏度提高100000倍!

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      新测量技术在比现有技术小得多的尺度上表征材料的能力增强,将加速二维、微尺度和纳米尺度材料的发现和研究。能够精确地测量小体积材料的半导体特性有助于工程师们确定这些材料在未来的应用范围,特别是在电子和光学设备尺寸不断缩小的情况下。丹尼尔·沃瑟曼(Daniel Wasserman)是科克雷尔工程学院(Cockrell School of Engineering)电子和计算机工程系的副教授,他领导的团队构建了物理系统,开发了能够达到这种灵敏度水平的测量技术,半导体材料质量检测灵敏度提高100000倍!

      半导体材料质量检测灵敏度提高100000倍!

      博科园:并成功地证明了其性能的改善,研究成果发表在2019年4月9的《自然通讯》上。该团队的设计方法侧重于开发对材料质量提供定量反馈的能力,特别是在光电设备开发和制造方面的应用。演示的方法能够测量许多材料,工程师们相信,这些材料有一天将在下一代光电设备中普遍存在。光电子学是研究和应用能产生、探测和控制光的电子设备。探测光的光电设备,也就是所谓的光电探测器,使用从光中产生电信号的材料。光探测器存在于智能手机摄像头、太阳能电池以及构成我们宽带网络的光纤通信系统中。

      半导体材料质量检测灵敏度提高100000倍!

      在光电材料中,电子保持“光激发”或能够产生电信号的时间长短,是光电检测应用中该材料潜在质量的可靠指标。目前用于测量光激发电子载流子动力学或寿命的方法成本高且复杂,只能测量大规模材料样品,精度有限。德克萨斯大学研究小组决定尝试用一种不同的方法来量化这些寿命,方法是将小体积的材料放入专门设计的微波谐振器电路中。样品在谐振腔内暴露在集中的微波场中。当样品被光照射时,微波电路信号发生变化,在标准示波器上可以读出电路中的变化。

      半导体材料质量检测灵敏度提高100000倍!

      微波谐振器的渲染,显示(蓝色)微波信号的大小变化,这是由于光脉冲(红色)一旦击中红外像素(插图中显示像素的显微图像)。图片:Cockrell School of Engineering, The University of Texas at Austin


      微波信号的衰减表明在电路中放置小体积材料中光激发载流子的寿命。测量电子(微波)信号的衰减使我们能够以更高精度测量材料的载流子寿命。发现,与目前的方法相比,它是一种更简单、更便宜、更有效的方法。载流子寿命是一个重要的材料参数,它提供了对材料整体光学质量的洞察,同时也决定了材料集成到光电探测器设备结构中的应用范围。例如,具有很长载流子寿命的材料可能具有很高的光学质量,因此非常敏感,但可能不适用于需要高速的应用。

      半导体材料质量检测灵敏度提高100000倍!

      尽管载体寿命很重要,但没有多少(如果有的话)非接触式的方法可以用来表征小面积材料,比如红外像素或二维材料。这些材料近年来在技术上得到了普及和重视。在分子传感、热成像以及某些防御和安全系统中,红外探测是一个至关重要的组成部分。更好地理解红外材料可能会导致夜视镜或红外光谱和传感系统的创新。在这些频率下运行的高速探测器甚至可以使长波长红外自由空间通信的发展成为可能:一种允许在困难条件下、在空间或城市环境中建筑物之间进行无线通信的技术。

      半导体材料质量检测灵敏度提高100000倍!

      博科园-科学科普|研究/来自: 德克萨斯大学奥斯汀分校

      参考期刊文献:《自然通讯》

      DOI: 10.1038/s41467-019-09602-2

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