С помощью аттосекундного лазера стало возможным проследить за движением электронов в кристалле кремния.

Особенности электронной структуры атома кремния сделали его фундаментом всей современной полупроводниковой техники. Основной ее элемент – транзистор. Принцип его работы состоит в переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости, который происходит под действием внешнего электрического потенциала или падающего света. На этом принципе работает подавляющее большинство современной электроники. И хотя транзистор был изобретен еще в середине прошлого века, заглянуть в микромир и увидеть, как же происходят на самом деле электронные переходы, было невозможно вплоть до последнего времени.  

Спектр поглощения кристаллического кремния. Stephen R. Leone / UC Berkeley image

Монокристаллический кремний. Фото: Tom Grill/creative/Corbis

Дело в том, что электроны в атомах движутся с очень большой скоростью. Например, у атомов тяжелых элементов для электронов на внутренних оболочках уже характерны релятивистские эффекты. Поэтому, чтобы увидеть динамику электронного микромира, нужны измерения с очень и очень коротким периодом – порядка 10^-18 с. Такое стало возможным с изобретением аттосекундных лазеров. Фемтосекундные лазеры позволили наблюдать за тем, как происходят химические реакции на атомарном уровне (нобелевская премия по химии за 1999 досталась Ахмеду Зевейлу за исследования в области фемтохимии). Длительность фемтосекундного импульса сопоставима с частотой колебаний атомов в молекулах. Однако движение электронов происходит на порядки быстрее. В квантовой механике делается допущение, что электроны движутся в поле неподвижных ядер. Это   позволяет существенно упростить теоретическое описание строения молекул. В 2010 году была впервые показана возможность исследовать  динамику движения электронов на примере атомов криптона. И вот, спустя несколько лет стало реальным изучение электронных переходов в твердых веществах. Как же происходит переход электрона в кремниевом кристалле?  

В обычном состоянии электроны валентной оболочки локализованы у отдельных атомов и не могут свободно перемещаться по кристаллической решетке. Когда полупроводниковый материал облучают светом или на него накладывается электрический потенциал, часть атомов может поглотить кванты энергии и перейти в возбужденное состояние. В возбужденном состоянии электроны получают возможность перемещаться по кристаллу, туннелируя через потенциальный барьер. Возникает проводимость, причем потенциальный барьер препятствует самопроизвольному протеканию процесса.

Переход вещества из непроводящего в проводимое состояние протекает в две стадии. Сначала происходит поглощение энергии и изменение электронного состояния вещества. Вспомним, что электроны передвигаются в тысячи раз быстрее атомов – электронная структура материала уже перешла в новое состояние, а ядра атомов остались на своих прежних местах. Затем наступает вторая стадия – релаксация атомной структуры вещества. Атомы «адаптируются» под изменившееся электронное окружение. Возникающее в ходе поглощения энергии колебание атомной решетки называется фононным спектром кристалла.

Для того чтобы на практике наблюдать такие процессы, исследователи использовали аттосекундную спектроскопию жесткого УФ-излучения. Подсветив кристалл кремния лазерной вспышкой, а спустя сверхкороткое время, порядка десятков аттосекунд, облучив его рентгеновским импульсом, можно получить картину электронных переходов. Анализ экспериментальных данных подтвердил теоретическую гипотезу о механизме перехода кремния в проводящее состояние. Лазерная вспышка изменяет состояние только электронной системы, а то время как атомная решетка остается в исходном состоянии. И лишь спустя 60 фемтосекунд наблюдается синхронное движение атомов, что очень близко к самому короткому колебанию решетки в 64 фемтосекунды. Рассчитанная амплитуда колебаний решетки составила порядка 6 пикометров (10^-12 м).
Если в первых работах в области аттосекундной лазерной техники физики изучали модельные системы, состоящие из атомов криптона, то результаты, полученные на кремнии, дают пример исследования сложной и фундаментально важной системы.

  Рис.1 Спектр поглощения кристаллического кремния. Ось абсцисс (Energy) – энергия поглощаемых фотонов (ЭВ), ось ординат (dA/dE)– поглощение, ось (Delay) – время задержки лазерного импульса. На заднем плане профиль поверхности поглощения имеет четкий профиль (красный цвет) – электроны находятся в валентной области и связаны с атомом. После поглощения фотона (движение к передней части графика) – пики размываются, что соответствует переходу электронов в зону проводимости (оранжевый и желтый цвет). Сам переход занимает 450 аттосекунд. Stephen R. Leone / UC Berkeley image

По материалам: Berkeley Research