За допомогою аттосекундного лазера стало можливим простежити за рухом електронів у кристалі кремнію.
Особливості електронної структури атома кремнію зробили його фундаментом всієї сучасної напівпровідникової техніки. Основний її елемент - транзистор. Принцип його роботи полягає в переході електронів з валентної зони в зону провідності, який відбувається під дією зовнішнього електричного потенціалу або падаючого світла. На цьому принципі працює переважна більшість сучасної електроніки. І хоча транзистор був винайдений ще в середині минулого століття, заглянути в мікромір і побачити, як же відбуваються насправді електронні переходи, було неможливо аж до останнього часу.
Справа в тому, що електрони в атомах рухаються з дуже великою швидкістю. Наприклад, у атомів важких елементів для електронів на внутрішніх оболонках вже характерні релятивістські ефекти. Тому, щоб побачити динаміку електронного мікроміру, потрібні вимірювання з дуже і дуже коротким періодом - близько 10-18 с. Таке стало можливим з винаходом аттосекундних лазерів. Фемтосекундні лазери дозволили спостерігати за тим, як відбуваються хімічні реакції на атомарному рівні (нобелівська премія з хімії за 1999 дісталася Ахмеду Зевейлу за дослідження в області фемтохімії). Тривалість фемтосекундного імпульсу порівнянна з частотою коливань атомів в молекулах. Однак рух електронів відбувається на порядки швидше. У квантовій механіці робиться допущення, що електрони рухаються в полі нерухомих ядер. Це дозволяє суттєво спростити теоретичний опис будови молекул. У 2010 році була вперше показана можливість дослідити динаміку руху електронів на прикладі атомів криптона. І ось, через кілька років стало реальним вивчення електронних переходів у твердих речовинах. Як же відбувається перехід електрона в кремнієвому кристалі?
У звичайному стані електрони валентної оболонки локалізовані в окремих атомів і не можуть вільно переміщатися кристалічною решіткою. Коли напівпровідниковий матеріал опромінюють світлом або на нього накладається електричний потенціал, частина атомів може поглинути кванти енергії і перейти в збуджений стан. У збудженому стані електрони отримують можливість переміщатися кристалом, тунелюючи через потенційний бар'єр. Виникає провідність, причому потенційний бар'єр перешкоджає мимовільному протіканню процесу.
Перехід речовини з непровідного в проведений стан протікає в дві стадії. Спочатку відбувається поглинання енергії та зміна електронного стану речовини. Згадаймо, що електрони пересуваються в тисячі разів швидше атомів - електронна структура матеріалу вже перейшла в новий стан, а ядра атомів залишилися на своїх колишніх місцях. Потім настає друга стадія - релаксація атомної структури речовини. Атоми «адаптуються» під змінене електронне оточення. Виникає в ході поглинання енергії коливання атомної решітки називається фононним спектром кристала.
Для того щоб на практиці спостерігати такі процеси, дослідники використовували аттосекундну спектроскопію жорсткого УФ-випромінювання. Підсвітивши кристал кремнію лазерним спалахом, а через надкороткий час, близько десятків аттосекунд, опромінювавши його рентгенівським імпульсом, можна отримати картину електронних переходів. Аналіз експериментальних даних підтвердив теоретичну гіпотезу про механізм переходу кремнію в проведений стан. Лазерний спалах змінює стан тільки електронної системи, а той час як атомна решітка залишається у вихідному стані. І лише через 60 фемтосекунд спостерігається синхронний рух атомів, що дуже близько до найкоротшого коливання решітки в 64 фемтосекунди. Розрахована амплітуда коливань решітки склала близько 6 пікометрів (10-12 м).
Якщо в перших роботах в області аттосекундної лазерної техніки фізики вивчали модельні системи, що складаються з атомів криптона, то результати, отримані на кремнії, дають приклад дослідження складної і фундаментально важливої системи.
Рис.1 Спектр поглинання кристалічного кремнію. Вісь абсцис (Energy) - енергія фотонів (ЕВ), вісь ординат (dA/dE) - поглинання, вісь (Delay) - час затримки лазерного імпульсу. На задньому плані профіль поверхні поглинання має чіткий профіль (червоний колір) - електрони знаходяться в валентній області і пов'язані з атомом. Після поглинання фотона (рух до передньої частини графіка) - піки розмиваються, що відповідає переходу електронів у зону провідності (помаранчевий і жовтий колір). Сам перехід займає 450 аттосекунд. Stephen R. Leone / UC Berkeley image
За матеріалами: Berkeley Research