El silicio es uno de los materiales funcionales más omnipresentes de la era moderna y sustenta tecnologías de semiconductores que van desde la microelectrónica hasta las células solares. De hecho, los transistores de silicio permiten aplicaciones informáticas desde teléfonos móviles hasta supercomputadoras, mientras que la energía fotovoltaica de silicio es la tecnología de células solares más utilizada hasta la fecha. El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) informa que casi el 50% de la nueva capacidad de generación eléctrica en 2022 provino de células solares y, según la Agencia Internacional de Energía (AIE), el silicio tiene una participación de mercado del 95%. Sin embargo, a pesar de la indiscutible importancia del silicio para nuestro modo de vida moderno, quedan muchas preguntas abiertas sobre sus propiedades físicas fundamentales.

En los dispositivos semiconductores, la funcionalidad del material proviene del movimiento y las interacciones de partículas subatómicas como los electrones (que tienen carga negativa) y los huecos (la ausencia de un electrón de un estado ocupado que se comporta como una partícula cargada positivamente). que se denominan portadores porque “transportan” carga eléctrica a través del material. Por ejemplo, en una célula solar, el material absorbe la luz entrante y la energía absorbida se convierte en pares de electrones y huecos. Estos electrones y huecos excitados luego se mueven a los extremos opuestos de la célula solar y generan electricidad. Desafortunadamente, los electrones y los huecos también pueden interactuar de maneras indeseables que convierten su energía en calor y limitan la eficiencia de los dispositivos. Uno de esos mecanismos de pérdida ocurre cuando los portadores se recombinan y convierten su energía en calor al interactuar con un defecto en el material. En muchos casos, esta recombinación mediada por defectos se puede reducir mejorando la calidad del material. Otras interacciones, sin embargo, son intrínsecas a un material y no pueden eliminarse ni siquiera en muestras perfectamente puras. La recombinación Auger-Meitner (AMR), históricamente conocida también como recombinación Auger, es una de esas interacciones. Lleva el nombre de Lise Meitner y Pierre Auger, dos pioneros de la ciencia nuclear que descubrieron de forma independiente este efecto en los átomos. La nueva convención de nomenclatura del efecto Auger-Meitner reconoce las contribuciones de Lise Meitner, una física austriaca y epónima del elemento químico Meitnerio, quien descubrió de forma independiente el proceso un año antes que Pierre Auger. En el proceso AMR en semiconductores, un electrón y un hueco se recombinan, transfiriendo su energía a un tercer portador. El portador de alta energía puede luego termalizarse o fugarse de un dispositivo, generando calor y reduciendo la eficiencia de conversión de energía o reduciendo la cantidad de portadores disponibles. Desafortunadamente, a pesar de décadas de investigación, los mecanismos atomísticos específicos de la RAM en el silicio han eludido a los investigadores hasta la fecha.

Con una nueva implementación de una metodología computacional para calcular con precisión las tasas de AMR a partir de primeros principios, es decir, utilizando solo las constantes físicas del Universo y el número atómico del silicio como entrada, el Dr. Kyle Bushick y el Prof. Emmanouil Kioupakis de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Michigan han proporcionado la primera caracterización exhaustiva de este importante proceso de recombinación en el silicio. Este enfoque computacional es clave para comprender completamente el mecanismo de la RAM, porque es un proceso que no emite luz, lo que hace que sea muy difícil de estudiar en el laboratorio. Con la ayuda de recursos de supercomputación en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Bushick y Kioupakis pudieron llevar a cabo los cálculos de AMR en silicio, obteniendo información sobre el comportamiento del material a nivel atómico. .

Una de las razones por las que no se ha comprendido del todo el proceso AMR en el silicio es que incluye múltiples permutaciones. Por un lado, el (tercer) portador excitado puede ser un electrón o un hueco, dando lugar al electrón-electrón-hueco (eeh) y agujero-hueco-electrón (jeje) procesos, respectivamente. Además, la AMR puede ser directa, en la que sólo participan los tres portadores, o asistida por fonones, en la que uno de los portadores interactúa con los átomos vibrantes (fonones) para transferir impulso adicional. Si bien los experimentos pueden caracterizar la tasa total combinada de RAM, analizar las diferentes contribuciones de estos diferentes componentes puede ser mucho más difícil. Sin embargo, mediante el uso de cálculos atomísticos predictivos, cada componente individual se puede calcular y caracterizar directamente. Aunque trabajos anteriores habían investigado el proceso directo utilizando tales cálculos, estaba claro que el proceso directo por sí solo no capturaba el panorama experimental completo. Superando la complejidad añadida de calcular los procesos directos y asistidos por fonones al mismo nivel teórico, se podrían abordar muchas de las preguntas sin respuesta sobre la RAM en el silicio. Además, lograr una comprensión tan detallada del proceso abre la puerta a encontrar soluciones para reducir el impacto de la RAM en la eficiencia del dispositivo.

En su informe, publicado en Physical Review Letters, Bushick y Kioupakis aclaran inequívocamente la importancia del proceso AMR asistido por fonones en el silicio. “Descubrimos que las interacciones electrón-fonón no sólo representan la totalidad del jeje proceso, que se planteó como hipótesis en trabajos anteriores pero que nunca se demostró de manera concluyente, sino también para una parte significativa de la eeh proceso, un hallazgo que había sido un tema de debate no resuelto en la literatura”, dice Bushick, un estudiante de doctorado recientemente graduado en Ciencia e Ingeniería de Materiales y miembro graduado del DOE en Ciencias Computacionales. Además, destacan una vía potencial para alterar la AMR en el silicio aplicando tensión al material, una conclusión posible gracias a su metodología recientemente implementada.

Este trabajo proporciona una comprensión fundamental hasta ahora inaccesible de un importante mecanismo de pérdida intrínseca en el semiconductor más importante del mundo. Esta comprensión, que ha eludido a los científicos durante décadas, puede ayudar a diseñar mejores dispositivos con un rendimiento mejorado al reducir la aparición del indeseable proceso de RAM. Emmanouil Kioupakis, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales y Familia Karl F. y Patricia J. Betz Un académico de la Universidad de Michigan señala: “En última instancia, este trabajo allana el camino para comprender y mitigar las pérdidas en dispositivos de silicio como transistores o células solares. Teniendo en cuenta el tamaño de estas industrias, incluso las pequeñas mejoras pueden generar enormes beneficios”.

El trabajo es posible gracias al Programa de Ciencias de Materiales Computacionales financiado por la Oficina de Ciencias, Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU. bajo el Premio No. DE-SC0020129. Los recursos computacionales para este trabajo fueron proporcionados por el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. ubicada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, operada bajo el Contrato No. DE-AC02-05CH11231. Bushick contó con el apoyo de la Beca para Graduados en Ciencias Computacionales del Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias, Oficina de Investigación en Computación Científica Avanzada, con el número de premio DE-SC0020347.

Publicación relacionada:

Kyle Bushick y Emmanouil Kioupakis, “Recombinación Auger-Meitner asistida por fonones en silicio desde los primeros principios”. física Rev. Lett. 131, 076902 (2023).