Ob im Smartphone oder im Laptop, Halbleiter sind die Grundlage moderner Elektronik und unsere ständigen Begleiter. Die Vorgänge im Inneren dieser Materialien sind nach wie vor Gegenstand der Forschung: Aktiviert man die Elektronen in einem Halbleitermaterial durch Licht oder elektrische Spannung, setzen die angeregten Elektronen auch das Atomgitter in Bewegung. Dabei entstehen kollektive Schwingungen der Atome, sogenannte Phononen oder Gitterschwingungen, die untereinander und mit den Elektronen in Wechselwirkung stehen.

Die winzigen Gitterschwingungen tragen entscheiden dazu bei, wie sich Energie und Wärme im Material ausbreiten – also wie effizient die Energie genutzt werden kann und wie stark sich das Material erhitzt. Durch verschiedene Ansätze lässt sich die Ausbreitung der Gitterschwingung steuern und kontrollieren – und damit den Halbleiter effektiver und effizienter machen.

Detailliertes Wissen um Mechanismen des Energieverlusts und möglicher Überhitzung ist wichtig, um gezielt neue Materialien und Geräte zu entwerfen, die sich weniger erwärmen, sich schneller erholen oder präziser auf äussere Anregung reagieren. Ein Team um Prof. Dr. Ilaria Zardo von der Universität Basel berichtet im Fachjournal «Advanced Science» von bisher unerreicht genauen Messungen der Energiefluss-Prozesse im Halbleiter Germanium, das häufig in der Computertechnik zum Einsatz kommt.

Energiefluss nach ultrakurzer Anregung
Das Team vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute hat eine besondere Technik entwickelt, mit der sich genau messen lässt, wie sich Elektronen und Phononen nach einer Anregung durch ultrakurze Laserpulse von nur 30 Femtosekunden (1 Femtosekunde entspricht 10^-15Sekunden) im Kristallgitter des untersuchten Materials bewegen und Energie austauschen. Damit konnten die Physikerinnen und Physiker zeigen, wie die Energie im Material weiterfliesst, wie sie übertragen wird und sich in Wärme umwandelt.

«Durch die Kombination von zwei Spektroskopie-Methoden ist es uns erstmal gelungen, in Echtzeit zu beobachten, wie die Energie Schritt für Schritt vom elektronischen System auf das Gitter übergeht. Zudem können wir beobachten wie sich dieFrequenz, Intensität und Dauer der Gitterschwingungen nach der Anregung zeitlich verändern», erklärt Dr. Grazia Raciti, Erstautorin der Veröffentlichung.

Unvorstellbar winzig
Dabei misst die eine Spektroskopie-Methode, genannt «Zeitaufgelöste Raman-Spektroskopie», feine Veränderungen in den Schwingungen des Atomgitters. Die zweite, sogenannte «Transiente Reflexionsspektroskopie» erfasst die Veränderung des Lichtverhalten nach der kurzen Anregung.

Herausfordernd bei den Messungen ist die Winzigkeit der Signale und der Zeitachse, auf der sich die Wechselwirkungen abspielen. Die Messungen laufen über 48 Stunden, wobei das System einmal pro Mikrosekunde mit einem kurzen Laserpulsen angeregt wird. Die beobachteten Veränderungen des Systems spielen sich dann im Pikosekundenbereich ab. Um die schwer vorstellbaren Dimensionen zu verdeutlichen, zieht Dr. Begoña Abad Mayor aus dem Forschungsteam um Ilaria Zardo einen Vergleich heran: «Wenn wir uns vorstellen, dass die Zeitspanne zwischen zwei Laserpulsen (die eigentlich 1 Mikrosekunde beträgt) zehn Tage dauert, beträgt die Dauer der von uns erfasste Reaktion der Probe in dem Halbleiter nur eine Sekunde.»

Mit der entwickelten Methode sind unglaublich schnelle Messungen mit extrem hoher Empfindlichkeit möglich. Die Forschenden können winzige Änderungen von weniger als einem Prozent in der Intensität und unter 0,2 cm⁻¹ in der Frequenz feststellen. Aufgrund dieser hohen zeitlichen und energetischen, atomaren Auflösung lassen sich verschiedene Energieverlust-Mechanismen voneinander unterscheiden.

Die Forschenden vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel ergänzten die experimentellen Untersuchungen mit aufwendigen Computersimulationen. Sie konnten damit die den Messergebnissen zugrunde liegenden physikalischen Prozesse im Detail nachvollziehen.

Verständnis für Weiterentwicklung erforderlich
Das kombinierte Ergebnis ist ein detailliertes Bild, wie Energie in dem Halbleiter Germanium nach einer ultraschnellen Anregung verteilt und wieder abgebaut wird. «Diese Grundlagenforschung ist für das Verständnis und die Weiterentwicklung moderner Elektronik und neuartiger phononischer Bauelemente von entscheidender Bedeutung und kann damit zu besseren Chips, Sensoren oder anderen elektronischen Geräten führen», kommentiert Ilaria Zardo.