Elektroreflektans

Elektroreflektans (även: elektromodulerad reflektans) är förändringen av reflektionsförmågan hos ett fast ämne på grund av påverkan av ett elektriskt fält nära eller vid gränsytan mellan det fasta ämnet och en vätska. Förändringen i reflektivitet är mest märkbar vid mycket specifika intervall av fotonenergi , motsvarande bandgapen vid kritiska punkter i Brillouin-zonen .

Elektroreflektanseffekten kan användas för att få en tydligare bild av bandstrukturen vid kritiska punkter där det finns mycket nära degeneration. Normalt måste bandstrukturen vid kritiska punkter (punkter av speciellt intresse) mätas inom en bakgrund av adsorption från icke-kritiska punkter vid Brillouin-zonens gräns. Med hjälp av ett starkt elektriskt fält kan adsorptionsspektrumet ändras till ett spektrum som visar toppar vid dessa kritiska punkter, vilket i huvudsak lyfter de kritiska punkterna från bakgrunden.

Effekten upptäcktes och förstods först i halvledarmaterial , men senare forskning visade att metaller också uppvisar elektroreflektans. En tidig observation av den förändrade optiska reflektiviteten hos guld på grund av ett nuvarande elektriskt fält tillskrevs en förändring i brytningsindex för den närliggande vätskan. Det visades dock att så inte kunde vara fallet. Den nya slutsatsen var att effekten måste komma från en modulering av det ytnära lagret av guldet.

Teoretisk beskrivning

Effekt av det elektriska fältet på den elektroniska strukturen

När ett elektriskt fält appliceras på en metall eller halvledare förändras materialets elektroniska struktur . Elektronerna ( och andra laddade partiklar ) kommer att reagera på det elektriska fältet genom att omplacera sig i materialet. Elektroner i metaller kan relativt lätt flytta runt och finns i överflöd. De kommer att röra sig på ett sådant sätt att de försöker ta bort det externa elektriska fältet. Eftersom ingen metall är en perfekt ledare, kommer ingen metall perfekt att upphäva det yttre elektriska fältet i materialet. I halvledare kommer de elektroner som är tillgängliga inte att kunna röra sig lika lätt som elektroner i metaller. Detta leder till en svagare respons och en svagare utsläckning av det elektriska fältet. Detta har effekten att det elektriska fältet kan tränga djupare in i en halvledare än i en metall.

Den optiska reflektionsförmågan hos en (halv)ledare baseras på bandstrukturen hos materialet nära eller vid materialets yta. För att reflektivitet ska uppstå måste en foton ha tillräckligt med energi för att övervinna bandgapet av elektroner vid Fermi-ytan . När fotonenergin är mindre än bandgapet kommer den fasta substansen inte att kunna absorbera fotonens energi genom excitation av en elektron till en högre energi. Detta betyder att fotonen inte kommer att återutsändas av det fasta ämnet och därmed inte reflekteras. Om fotonenergin är tillräckligt stor för att excitera en elektron från Fermi-ytan, kommer den fasta substansen att återutsända fotonen genom att sönderfalla elektronen tillbaka till den ursprungliga energin. Detta är inte exakt samma foton som den infallande fotonen, eftersom den till exempel har motsatt riktning av den infallande fotonen.

Genom att applicera ett elektriskt fält på materialet ändras bandstrukturen hos den fasta substansen. Denna förändring i bandstruktur leder till ett annat bandgap, vilket i sin tur leder till en skillnad i optisk reflektivitet. Det elektriska fältet, vanligtvis skapat genom att skapa en potentialskillnad, leder till en förändrad Hamiltonian . Med hjälp av tillgängliga analytiska metoder, såsom Tight Binding- metoden, kan man beräkna att denna förändrade Hamiltonian leder till en annan bandstruktur.

Kombinationen av elektronompositionering och förändringen i bandstrukturen på grund av ett externt elektriskt fält kallas fälteffekten. Eftersom det elektriska fältet har mer inflytande på halvledare än på metaller, är halvledare lättare att använda för att observera elektroreflektanseffekten.

Nära ytan

Den optiska reflektionen i (halv)ledare sker mestadels i materialets ytområde. Därför är bandstrukturen i denna region extra viktig. Bandstrukturen täcker vanligtvis bulkmaterial. För avvikelser från denna struktur är det vanligt att använda ett banddiagram . I ett banddiagram ändras x-axeln från vågvektor k i bandstrukturdiagram till position x i den föredragna riktningen. Vanligtvis är denna positionsriktning vinkelrät mot ytplanet.

Specifikt för halvledare är banddiagrammet nära materialets yta viktigt. När ett elektriskt fält finns nära, eller i materialet, kommer detta att leda till en potentialskillnad inom halvledaren. Beroende på det elektriska fältet kommer halvledaren att bli n- eller p-liknande i ytområdet. Från och med nu kommer vi att använda att halvledaren har blivit n-liknande vid ytan. Banden nära ytan kommer att böjas under den elektrostatiska potentialen hos det pålagda elektriska fältet. Denna böjning kan tolkas på samma sätt som böjningen av valens- och ledningsbanden i en pn-övergång , när jämvikt har uppnåtts. Resultatet av denna böjning leder till ett ledningsband som kommer nära Fermi-nivån . Därför kommer ledningsbandet att börja fyllas med elektroner. Denna förändring i bandstruktur leder till en förändring i optisk reflektion av halvledaren.

Brillouin-zoner och optisk reflektivitet

Optisk reflektivitet och Brillouin-zonerna är nära sammanlänkade, eftersom bandgapsenergin i Brillouin-zonen avgör om en foton absorberas eller reflekteras. Om bandgapsenergin i Brillouin-zonen är mindre än fotonenergin kommer fotonen att absorberas, medan fotonen kommer att sändas/reflekteras om bandgapsenergin är större än fotonenergin. Till exempel, fotonenergierna för synligt ljus ligger i ett intervall mellan 1,8 eV (rött ljus) och 3,1 eV (violett ljus), så om bandgapets energi är större än 3,2 eV, kommer fotoner av synligt ljus inte att absorberas, men reflekterat/transmitterat: materialet verkar genomskinligt. Detta är fallet för diamant , kvarts etc. Men om bandgapet är ungefär 2,6 eV (detta är fallet för kadmiumsulfid) absorberas endast blått och violett ljus, medan rött och grönt ljus överförs, vilket resulterar i ett rödaktigt material. .

När ett elektriskt fält läggs till en (halv)ledare kommer materialet att försöka upphäva detta fält genom att inducera ett elektriskt fält vid dess yta. På grund av detta elektriska fält kommer ytskiktets optiska egenskaper att förändras, på grund av förändringen i storleken av kritiska bandgap, och därmed ändra dess energi. Eftersom förändringen i bandgapet endast sker på ytan av (halv)ledaren kommer de optiska egenskaperna inte att förändras i kärnan av bulkmaterial, men för mycket tunna filmer, där nästan alla partiklar kan hittas på ytan, kommer de optiska egenskaperna kan förändras: absorption eller transmittans av vissa våglängder beroende på styrkan på det elektriska fältet. Detta kan resultera i mer noggranna mätningar om det finns flera föreningar i halvledaren, vilket praktiskt taget eliminerar bakgrundsbruset från data.

Vanligtvis är bandgaporna minst nära eller vid Brillouin-zonens gräns. Att lägga till ett elektriskt fält kommer att förändra hela bandstrukturen av materialet där det elektriska fältet tränger in, men effekten kommer att vara särskilt märkbar vid Brillouin-zonens gräns. När det minsta bandgapet ändras i storlek, förändras materialets optiska reflektionsförmåga mer än förändringen i ett redan större bandgap. Detta kan förklaras genom att notera att det minsta bandgapet bestämmer mycket av reflektiviteten, eftersom fotoner med lägre energi inte kan absorberas och återutsändas.

Dielektrisk konstant

De optiska egenskaperna hos halvledare är direkt relaterade till materialets dielektriska konstant . Denna dielektriska konstant ger förhållandet mellan den elektriska permeabiliteten hos ett material i förhållande till ett vakuums permeabilitet. Det imaginära brytningsindexet för ett material ges av kvadratroten av dielektricitetskonstanten. Reflektansen ${\textstyle R}$ för ett material kan beräknas med hjälp av Fresnel-ekvationerna . Ett närvarande elektriskt fält förändrar dielektricitetskonstanten och ändrar därför materialets optiska egenskaper, som reflektansen.

Gränssnitt med en vätska (elektriskt dubbelskikt)

En fast substans i kontakt med en vätska, i närvaro av ett elektriskt fält, bildar ett elektriskt dubbelskikt . Detta skikt finns i gränsytan mellan det fasta och vätskan och det skyddar den laddade ytan av det fasta materialet. Detta elektriska dubbelskikt har en effekt på den optiska reflektionsförmågan hos det fasta materialet eftersom det ändrar de elastiska ljusspridningsegenskaperna. Bildandet av det elektriska dubbelskiktet involverar olika tidsskalor, såsom avslappningstiden och laddningstiden.

Relaxationstiden kan vi skriva som ${\textstyle \tau _{d}=\lambda _{D}^{2}/D}$ med ${\textstyle D}$ som diffusionskonstanten och ${\textstyle \lambda _{D}}$ Debye -längden .

Laddningstiden kan uttryckas med ${\textstyle \tau _{c}=\lambda _{D}L/D}$ där ${\textstyle L}$ är den representativa systemstorleken.

Debye-längden används ofta som ett mått på elektrisk dubbelskiktstjocklek. Att mäta det elektriska dubbelskiktet med elektroreflektans är utmanande på grund av separation orsakad av ledningselektroner.

Historia

Effekten av elektroreflektion skrevs först om i ett recensionsbrev från 1965 av BO Seraphin och RB Hess från Michelson Laboratory, China Lake, Kalifornien där de studerade Franz-Keldysh-effekten ovanför den fundamentala kanten i germanium . De fann att det inte bara var möjligt för materialet att absorbera elektronerna, utan även återutsända dem. Efter denna upptäckt har Seraphin skrivit många artiklar om det nyfunna fenomenet.

Forskningstekniker

Elektroreflektans i ytfysik

Att använda elektroreflektans i ytfysikstudier ger några stora fördelar jämfört med tekniker som användes innan upptäckten. Förut var bestämning av ytpotentialen svår att göra eftersom man behöver elektriska mätningar på ytan och det var svårt att sondera ytområdet utan att involvera bulken under. Elektroreflektans behöver inte göra elektriska mätningar på ytan, utan använder endast optiska mätningar. På grund av direkta funktionella samband mellan ytpotential och reflektivitet kan vi dessutom bli av med många antaganden om rörlighet, spridning eller fångst av extra bärare som behövs i de äldre metoderna. Ytans elektriska fält sonderas av moduleringen av strålen som reflekteras av ytan. Den inkommande strålen penetrerar inte materialet djupt, så du sonderar bara ytan utan att interagera med bulken under.

Aspnes tredje derivata

En enkel gaussisk våg med sin 1:a och 2:a derivata. När du tar en högre ordningsderivata blir toppen mer uttalad eftersom toppen blir smalare.

Tredje ordningens spektroskopi , ibland vördad som Aspnes tredje derivata, är en teknik som används för att förbättra upplösningen av en spektroskopimätning. Denna teknik användes först av DE Aspnes för att studera elektroreflektans 1971. Genom att använda tredje ordningens derivator kan man skärpa toppen av en funktion (se figur). Speciellt inom spektroskopi, där vågen aldrig mäts på en specifik våglängd, utan alltid på ett band, är det full användning för att skärpa toppen, och därmed smalna av bandet.

En annan fördel med derivat är att baslinjeskiften elimineras eftersom derivat gör sig av med skift. Dessa förskjutningar i spektra kan till exempel orsakas av provhantering, lampa eller detektorinstabilitet. På så sätt kan du eliminera en del av bakgrundsljudet från mätningar.

Ansökningar

Elektroreflektans används ofta för att bestämma bandgap och elektriska egenskaper hos tunna filmer av svagare halvledande material. Två olika exempel listas nedan.

Förbättrad forskning av halvledare med högt bandgap vid rumstemperatur

Halvledare med bredbandsgap som tennoxid ${\ce {SnO2}}$ har i allmänhet en hög kemisk stabilitet och rörlighet, är billiga att tillverka och har en lämplig bandinriktning, vilket gör att dessa halvledare ofta används i olika elektronik så tunna filmtransistorer , anoder i litiumjonbatterier och som elektrontransportskikt i solceller. Det stora bandgapet för ${\ce {SnO2}}$ ( ${\ displaystyle E_{gap}\sim 3.62eV}$ ) och stor bindningsenergi ( $E_{bind}\sim 130meV$ ) gör den användbar i ultraviolettbaserade enheter.

Men ett grundläggande problem uppstår med dess dipolförbjudna bandstruktur i bulkform: övergången från valensen till ledningsbandet är dipolförbjuden eftersom båda typerna av tillstånd existerar med jämn paritet med effekten att bandkantemission av ${ \ce {SnO2}}$ är förbjuden i naturen. Detta kan kompenseras genom att använda dess reducerade dimensionella struktur, delvis förstöra kristallsymmetrin, förvandla den förbjudna dipolövergången till tillåtna. Att observera optiska övergångar i ${\ce {SnO2}}$ vid rumstemperatur är dock utmanande på grund av den ljusabsorberande effektiviteten i UV-området för den reducerade ${\ce {SnO2}}$ strukturer är mycket svaga och bakgrundsspridning av elektroner med lägre energier. Med hjälp av elektroreflektans kan de optiska övergångarna för tunna filmer återvinnas: genom att placera en tunn film i ett elektriskt fält kommer de kritiska punkterna i den optiska övergången att förstärkas medan, på grund av en förändring i reflektionsförmågan, reduceras bakgrundsspridning med låg energi.

Elektroreflektans i organiska halvledare

Organiska föreningar som innehåller konjugat (dvs alternativa enkel-dubbel) bindningar kan ha halvledande egenskaper. Konduktiviteten och rörligheten för dessa organiska föreningar är dock mycket låg jämfört med oorganiska halvledare. Förutsatt att molekylerna i den organiska halvledaren är gitter, kan samma procedur för elektroreflektans för oorganiska halvledare tillämpas för de organiska. Det bör dock noteras att det finns en viss dualism i halvledare: intramolekylär ledning (inuti en molekyl) och intermolekylär ledning (mellan molekyler), som man bör ta hänsyn till vid mätningar. Speciellt för tunna filmer kan bandgapen för organiska halvledare bestämmas exakt med denna metod.

Se även