Silikon, mikroelektronikten güneş pillerine kadar uzanan yarı iletken teknolojilerini destekleyen, modern çağın en yaygın fonksiyonel malzemelerinden biridir. Aslında, silikon transistörler cep telefonlarından süper bilgisayarlara kadar bilgi işlem uygulamalarına olanak tanırken, silikon fotovoltaikler bugüne kadar en yaygın şekilde kullanılan güneş pili teknolojisidir. ABD Enerji Bakanlığı (DOE), 50 yılında yeni elektrik üretim kapasitesinin yaklaşık %2022'sinin güneş pillerinden geldiğini ve Uluslararası Enerji Ajansı'na (IEA) göre silikonun %95 pazar payına sahip olduğunu bildiriyor. Silikonun modern yaşam tarzımızdaki tartışmasız önemine rağmen, onun temel fiziksel özellikleriyle ilgili pek çok cevaplanmamış soru var.

Yarı iletken cihazlarda, malzemenin işlevselliği, elektronlar (negatif yüke sahip olan) ve delikler (kendisi pozitif yüklü bir parçacık gibi davranan, başka türlü işgal edilmiş bir durumdan bir elektronun bulunmaması) gibi atom altı parçacıkların hareketinden ve etkileşimlerinden gelir. malzeme boyunca elektrik yükünü “taşıdıkları” için taşıyıcı olarak adlandırılırlar. Örneğin, bir güneş pilinde malzeme gelen ışığı emer ve emilen enerji elektron ve delik çiftlerine dönüştürülür. Bu uyarılmış elektron ve delikler daha sonra güneş pilinin karşıt uçlarına hareket ederek elektrik üretir. Ne yazık ki elektronlar ve delikler, enerjilerini ısıya dönüştürecek ve cihazların verimliliğini sınırlayacak şekilde istenmeyen şekillerde de etkileşime girebilir. Böyle bir kayıp mekanizması, taşıyıcıların malzemedeki bir kusurla etkileşime girerek enerjilerini yeniden birleştirip ısıya dönüştürmeleri durumunda ortaya çıkar. Çoğu durumda, bu kusur kaynaklı rekombinasyon, malzemenin kalitesinin iyileştirilmesiyle azaltılabilir. Ancak diğer etkileşimler malzemenin doğasında vardır ve tamamen saf numunelerde bile elimine edilemez. Tarihsel olarak Auger rekombinasyonu olarak da bilinen Auger-Meitner rekombinasyonu (AMR), böyle bir etkileşimdir. Adını atomlardaki bu etkiyi bağımsız olarak keşfeden nükleer bilimin iki öncüsü Lise Meitner ve Pierre Auger'den almıştır. Auger-Meitner etkisinin yeni adlandırma kuralı, süreci Pierre Auger'den bir yıl önce bağımsız olarak keşfeden Avusturyalı kadın fizikçi ve Meitnerium kimyasal elementinin adını taşıyan Lise Meitner'in katkılarını takdir ediyor. Yarı iletkenlerdeki AMR sürecinde bir elektron ve bir delik yeniden birleşerek enerjilerini üçüncü bir taşıyıcıya aktarır. Yüksek enerjili taşıyıcı daha sonra termalleşebilir veya cihazdan dışarı sızabilir, ısı üretebilir ve enerji dönüşüm verimliliğini azaltabilir veya mevcut taşıyıcıların sayısını azaltabilir. Ne yazık ki, onlarca yıllık araştırmalara rağmen, silikondaki AMR'nin spesifik atomistik mekanizmaları bugüne kadar araştırmacıların gözünden kaçmıştır.

Malzeme Bilimi ve Mühendisliğinden Dr. Kyle Bushick ve Prof. Emmanouil Kioupakis, AMR oranlarını ilk prensiplerden doğru bir şekilde hesaplamak için yeni bir hesaplama metodolojisi uygulamasıyla (yani girdi olarak yalnızca Evrenin fiziksel sabitlerini ve silikonun atom numarasını kullanıyor) Michigan Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, silikondaki bu önemli rekombinasyon sürecinin ilk kapsamlı karakterizasyonunu sağladılar. Bu hesaplamalı yaklaşım, AMR mekanizmasının tam olarak anlaşılmasının anahtarıdır, çünkü bu, ışık yaymayan bir süreç olduğundan laboratuvarda çalışmayı çok zorlaştırır. Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuarı'nın Ulusal Enerji Araştırma Bilimsel Bilgi İşlem Merkezi'ndeki (NERSC) süper hesaplama kaynaklarının yardımıyla Bushick ve Kioupakis, silikondaki AMR hesaplamalarını gerçekleştirerek malzemenin atomik düzeydeki davranışına ilişkin içgörüler elde etmeyi başardılar. .

Silikondaki AMR işleminin tam olarak anlaşılmamasının bir nedeni, birden fazla permütasyon içermesidir. Bir yandan, uyarılmış (üçüncü) taşıyıcı, elektron-elektron-deliğine yol açan bir elektron ya da bir delik olabilir (eee) ve delik-delik-elektron (heh) sırasıyla süreçler. Ayrıca AMR, yalnızca üç taşıyıcının katıldığı doğrudan olabilir veya taşıyıcılardan birinin ek momentum aktarmak için titreşen atomlarla (fononlar) etkileşime girdiği fonon destekli olabilir. Deneyler birleştirilmiş toplam AMR oranını karakterize edebilirken, bu farklı bileşenlerin farklı katkılarını ayrıştırmak çok daha zor olabilir. Ancak tahmine dayalı atomistik hesaplamalar kullanılarak her bir bileşen doğrudan hesaplanabilir ve karakterize edilebilir. Geçmişteki çalışmalarda bu tür hesaplamalar kullanılarak doğrudan süreç araştırılmış olmasına rağmen, doğrudan sürecin tek başına deneysel tablonun tamamını yakalayamadığı açıktı. Hem doğrudan hem de fonon destekli süreçlerin aynı teori seviyesinde hesaplanmasının getirdiği ilave karmaşıklığın üstesinden gelinerek, silikondaki AMR ile ilgili cevaplanmamış soruların çoğu ele alınabilir. Ek olarak, sürecin bu kadar ayrıntılı bir şekilde anlaşılması, AMR'nin cihaz verimliliği üzerindeki etkisini azaltacak çözümler bulmanın kapısını da açar.

'da yayınlanan raporlarında Physical Review LettersBushick ve Kioupakis, silikonda fonon destekli AMR işleminin önemini tartışmasız bir şekilde aydınlatıyor. "Elektron-fonon etkileşimlerinin yalnızca evrenin tamamını açıklamadığını bulduk. heh Önceki çalışmalarda öne sürülen ancak hiçbir zaman kesin olarak kanıtlanmayan süreç, aynı zamanda araştırmaların önemli bir kısmı için de geçerlidir. eee Malzeme Bilimi ve Mühendisliği alanında yakın zamanda mezun olmuş bir doktora öğrencisi ve DOE Hesaplamalı Bilimler Yüksek Lisans Üyesi olan Bushick, "Bu, literatürde çözümlenmemiş bir tartışmanın konusu olan bir bulgudur" diyor. Ayrıca, malzemeye baskı uygulayarak silikondaki AMR'yi değiştirmeye yönelik potansiyel bir yolu vurguluyorlar; bu, yeni uygulanan metodolojinin mümkün kıldığı bir sonuç.

Bu çalışma, dünyanın en önemli yarı iletkenindeki önemli bir içsel kayıp mekanizmasının şimdiye kadar erişilemeyen temel anlayışını sağlıyor. Onlarca yıldır bilim adamlarının gözünden kaçan bu anlayış, istenmeyen AMR sürecinin ortaya çıkmasını azaltarak performansı arttırılmış daha iyi cihazların tasarlanmasına yardımcı olabilir. Emmanouil Kioupakis, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Doçenti ve Karl F. ve Patricia J. Betz Ailesi Michigan Üniversitesi Öğretim Üyesi şunları belirtiyor: "Sonuçta bu çalışma, transistörler veya güneş pilleri gibi silikon cihazlardaki kayıpları anlamanın ve azaltmanın yolunu açıyor. Bu endüstrilerin büyüklüğü göz önüne alındığında, küçük iyileştirmeler bile büyük faydalar sağlayabilir.”

Bu çalışma, ABD Enerji Bakanlığı, Bilim Ofisi, Temel Enerji Bilimleri tarafından DE-SC0020129 Ödül numarasıyla finanse edilen Hesaplamalı Malzeme Bilimleri Programı tarafından mümkün kılınmıştır. Bu çalışmaya yönelik hesaplama kaynakları, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'nda bulunan ve DE-AC02-05CH11231 sayılı Sözleşme kapsamında işletilen ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi Kullanıcı Tesisi olan Ulusal Enerji Araştırma Bilimsel Bilgi İşlem Merkezi (NERSC) tarafından sağlanmıştır. Bushick, DE-SC0020347 Ödül Numarasıyla ABD Enerji Bakanlığı, Bilim Ofisi, İleri Bilimsel Bilgi İşlem Araştırma Ofisi, Enerji Bölümü Hesaplamalı Bilimler Yüksek Lisans Bursu tarafından desteklenmiştir.

İlgili yayın:

Kyle Bushick ve Emmanouil Kioupakis, "İlk Prensiplerden Silikonda Fonon Destekli Auger-Meitner Rekombinasyonu". Fizik Rev. Letonya. 131, 076902 (2023).