Загадка энергии электронов: раскрыта роль эффекта Оже-Мейтнер в работе светодиодов и транзисторов

Дефекты материала часто снижают качество работы, например, светодиодов. У науки ранее было чёткое понимание того, как дефекты приводят к потере заряда в веществах, излучающих красный или зелёный свет. Но причины таких потерь в излучателях синего или ультрафиолетового света оставались неясными.


Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре раскрыли решающую роль в этом эффекта Оже-Мейтнер — это механизм, который позволяет электрону терять энергию, переводя другой электрон в состояние с более высокой энергией.

Эффект Оже-Мейтнер — это вылет электрона из атомной оболочки. Так называемая вакансия может возникнуть при выбивании другого электрона рентгеновским или гамма-излучением, электронным ударом, а также в результате ядерных процессов — внутренней конверсии при переходе между уровнями ядра либо захвата электрона ядром. Явление впервые обнаружила и опубликовала в 1922 году Лиза Мейтнер. Пьер Оже, имя которого также получил эффект, независимо от неё обнаружил явление в 1923 году.


— Крис Ван де Валле, профессор материаловедения, руководитель исследования.

Новая методология показала, что эффект Оже-Мейтнер может приводить к таким потерям энергии, которые на порядок превышают вызванные другими механизмами. Тем самым вывод учёных разрешил загадку того, как дефекты влияют на эффективность излучателей синего или ультрафиолетового света.

Наблюдения описанного явления восходят к 1950-м годам. Тогда исследователи из Bell Labs и General Electric обнаружили его пагубное воздействие на транзисторы. Профессор Ван де Валле объяснил, что электроны могут попасть в дефектные участки и потерять способность выполнять своё предназначение в устройстве, будь то усиление заряда в транзисторе или излучение светодиодом. Предполагалось, что энергия, потерянная в процессе перестроения электронов, высвобождается в форме фононов, то есть колебаний решётки, которые нагревают устройство.

Группа Ван де Валле ранее смоделировала этот процесс, связанный с фононами, и обнаружила, что он должным образом соответствует наблюдаемой потере эффективности светодиодов, излучающих свет в красной или зелёной областях спектра. Однако для синих или ультрафиолетовых светодиодов модель ответа не дала: большее количество энергии, переносимой электронами на этих более коротких длинах волн, просто не может быть рассеяно в форме фононов.

Сотрудник научной группы Фанчжоу Чжао пояснил, что как раз в таких случаях вступает в действие процесс Оже-Мейтнер. Исследователи обнаружили, что вместо высвобождения энергии в виде фононов электрон передает свою энергию другому электрону, который переходит в более высокое энергетическое состояние.

Ранее в том же университете группа профессора Джеймса Спека уже предполагала влияние процесса Оже-Мейтнер. Чжао с коллегами разработали методологию, которая в сочетании с передовыми вычислениями окончательно установила решающую роль процесса Оже-Мейтнер при потере эффективности.

При работе с нитридом галлия, основным материалом для коммерческих светодиодов, скорости рекомбинации электронов были в миллиард и более раз выше, чем если бы речь шла о процессе с фононами. Рекомбинация с точки зрения физики — это исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда (электрона и дырки) в среде с выделением энергии.

Исследователи надеются, что их результаты улучшат понимание механизмов рекомбинации не только в полупроводниковых излучателях света, но и в любом материале, в котором дефекты ограничивают эффективность.