11月10日消息，日前，一篇刊載于刊物的文章向世人展示了一項(xiàng)霍爾效應(yīng)苦等140年的應(yīng)用。這篇文章的名子非常簡單：“-photo-Hall”，意為“能解析自旋信息的光霍爾效應(yīng)”。文章中介紹了一種全新的檢測方式，還能同時(shí)檢測導(dǎo)電材料中兩種自旋的重要信息，可以為新型的太陽能電板材料和光電材料提供有力的檢查手段和指導(dǎo)方向；同時(shí)，這一突破可以讓我們愈發(fā)詳細(xì)地了解半導(dǎo)體的化學(xué)特點(diǎn)，對研制和改進(jìn)半導(dǎo)體材料有著重大意義。
我們現(xiàn)今的生活中，處處可見的是各色各樣的電子產(chǎn)品，筆記本、手機(jī)甚至好多鞋廠的生產(chǎn)設(shè)備都有電子芯片和電路的身影。而這種電子產(chǎn)品的核心材料之一就是半導(dǎo)體材料，怎么充分理解和借助半導(dǎo)體材料是一個(gè)關(guān)系電子技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的重要課題。但是將近一個(gè)半世紀(jì)以來，科學(xué)家仍然被一個(gè)問題所困擾，她們未能完全理解半導(dǎo)體元件和先進(jìn)的半導(dǎo)體材料內(nèi)部的電荷方面的局限性，而這些局限影響了半導(dǎo)體研究的進(jìn)一步發(fā)展。
最直接的，科學(xué)家希望曉得半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能怎樣，具體來說，須要關(guān)注半導(dǎo)體中的自旋種類、密度以及遷移率等參數(shù)，這種是彰顯半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性能的關(guān)鍵參數(shù)。其中，自旋（）分兩種，電子（）和空穴（Hole），分別帶一個(gè)單位負(fù)電荷和正電荷，不同的自旋決定了半導(dǎo)體最基本的導(dǎo)電情況。自旋密度決定導(dǎo)電時(shí)有多少自旋能參與導(dǎo)電，自旋遷移率決定自旋能跑多快，這種參數(shù)或許能一起出現(xiàn)在導(dǎo)體通電電壓的表達(dá)式中，它們共同決定導(dǎo)體通電時(shí)電壓的大小。1879年，瑞典化學(xué)學(xué)家埃德溫·霍爾（EdwinHall）發(fā)覺了一種可以確定這種屬性的技巧。他發(fā)覺，將一個(gè)通電的導(dǎo)體放置在垂直磁場中，都會(huì)在垂直于磁場和電壓的方向上測到一個(gè)電勢差，這個(gè)現(xiàn)象就被稱為霍爾效應(yīng)（Hall）。原理上來說，霍爾效應(yīng)是一種非常微妙的電磁現(xiàn)象，是發(fā)生在通濁度體中的電壓由于外加磁場形成偏轉(zhuǎn)而引起導(dǎo)體側(cè)面產(chǎn)生電勢差的現(xiàn)象。
（圖|霍爾效應(yīng)示意圖）
簡單地使用霍爾效應(yīng)能一并將那些參數(shù)檢測下來?；魻栯妱莶頥H（如圖所示），會(huì)隨著材料中自旋種類、密度以及遷移率等參數(shù)變化而變化。最簡單的，自旋種類能決定霍爾電勢差的極性，由于電子和空穴在磁場中的偏轉(zhuǎn)情況是相反的，這么抵達(dá)導(dǎo)體側(cè)面上的電荷也是相反的，所引起的電勢差的極性方向也會(huì)相反。通過對帶電粒子的受力剖析以后，我們不難得到這樣一個(gè)公式：
（其中B是外加磁場磁感應(yīng)硬度，I為導(dǎo)體電壓，b為導(dǎo)體延磁場方向的長度，n是導(dǎo)體自旋的體密度，q是帶電粒子的電量，H是霍爾系數(shù)，可由檢測儀器直接得出。）不難看出，霍爾電勢差的大小遭到磁場、導(dǎo)體電壓、導(dǎo)體幾何規(guī)格、導(dǎo)體內(nèi)部自旋含量和氮化物電量的影響。其中，前三個(gè)都能事先檢測下來，霍爾電勢差VH也能在實(shí)驗(yàn)中測得，我們再借助這樣的化學(xué)關(guān)系，才能檢測導(dǎo)電材料的自旋含量。并且，對于太陽能電板材料和光電材料來說，簡單的霍爾效應(yīng)并不能滿足熱學(xué)檢測要求。緣由在于，簡單的霍爾效應(yīng)只能檢測一種自旋的信息，由于霍爾電勢差只能彰顯兩個(gè)側(cè)面因?yàn)殡姾煞e累出現(xiàn)的差值，而不能彰顯這三者的具體信息。這和通常半導(dǎo)體的導(dǎo)電情況非常契合，雖然通常半導(dǎo)體導(dǎo)電時(shí)，也存在兩種自旋，分別被稱為“多子（）”和“少子（）”，但多子含量高，少子含量低，少子的作用常常被忽略。不同于通常的半導(dǎo)體材料，在太陽能電板材料中參與導(dǎo)電的通常有兩種自旋，但是兩種自旋的含量相當(dāng)。我們可以從原理上來剖析霍爾效應(yīng)公式，太陽能電板之所以可以發(fā)電，是由于光形成了電，雖然是光的能量被半導(dǎo)體材料吸收，但是形成了成對的電子和空穴。此時(shí)若果不將它們分開，它們又會(huì)結(jié)合在一起，所以我們須要在太陽能電板兩極聯(lián)接上導(dǎo)線和用家電，只有這樣電能夠被我們借助。所以說，假如要檢測太陽能電板材料和光電材料的熱學(xué)特點(diǎn)，須要同時(shí)獲取兩種自旋的信息。
來自日本IBM倫敦研究中心的Oki博士想出了一種全新的方式，他別出心裁地在實(shí)驗(yàn)中加入了“光”這一變量，將霍爾效應(yīng)升級為“光-霍爾效應(yīng)（Photo-Hall）”，并改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)的檢測策略和公式，成功地在一次檢測中檢測出有關(guān)兩種自旋的7種不同數(shù)據(jù)。加入光以后，在原處于穩(wěn)態(tài)的太陽能電板內(nèi)部必將會(huì)發(fā)生變化——出現(xiàn)好多電子和空穴霍爾效應(yīng)公式，也必將會(huì)對其導(dǎo)電特點(diǎn)形成影響。非常設(shè)置了兩種材料，并將它們在光照下進(jìn)行霍爾效應(yīng)測試的結(jié)果放到一起，對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出一個(gè)神奇的公式：
其中的△μH是兩種自旋霍爾遷移率之差，H是霍爾系數(shù)，σ是濁度。這成為了解決問題的金鎖匙，基于這個(gè)等式能否將有關(guān)兩種自旋的7種不同參數(shù)推出，包括含量、遷移率、擴(kuò)散寬度和氮化物壽命等。可以說，這打破了霍爾效應(yīng)出現(xiàn)以來140年的蟄伏，又將霍爾效應(yīng)推向了應(yīng)用的前沿陣地。理論上的突破還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還須要實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)，怎么實(shí)現(xiàn)又是另一個(gè)故事了。光霍爾效應(yīng)理論上須要很“純凈”的霍爾訊號(hào)，而太陽能電板，非常是文中采用的“鈣鈦礦（）”材料的濁度很小，會(huì)形成巨大的霍爾訊號(hào)干擾。因而，采用了交流（振蕩）磁場并聯(lián)接傅里葉剖析進(jìn)行霍爾檢測。如右圖，通過傅里葉變換，可以找到訊號(hào)最顯著的地方，再進(jìn)行剖析就好，這就好象是在收音機(jī)中找你最喜歡的電臺(tái)一樣，其他頻度都是噪音，而特定的頻度都會(huì)有電臺(tái)節(jié)目。
新的光霍爾效應(yīng)似乎能成為新的熱學(xué)檢測工具，為電子材料的研究打開新的篇章，它將我們須要用其他精密儀器分開進(jìn)行檢測的7種參數(shù)，一次檢測下來，大大減小效率。
對于光霍爾效應(yīng)檢測，博士表示：“我們還想了解更多，假如我們采用的材料不是特制的，又或則這個(gè)公式中的材料模型并不如我們假定一樣理想，應(yīng)當(dāng)怎樣處理。更重要的是我們必須了解到這個(gè)方式的局限性，這套系統(tǒng)似乎不能適用于金屬。須要采用高能激光來迸發(fā)金屬中的電子，然而有可能會(huì)在迸發(fā)之前將金屬融化。我們將旨在于將這套系統(tǒng)的應(yīng)用面推廣，并將這個(gè)公式推出更通常化的推論?！?span style="display:none">V4o物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
關(guān)于霍爾效應(yīng)
霍爾效應(yīng)是電磁效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是日本化學(xué)學(xué)家霍爾（E.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)制時(shí)發(fā)覺的。當(dāng)電壓垂直于外磁場通過半導(dǎo)體時(shí)，自旋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電壓和磁場的方向會(huì)形成一附加電場，因而在半導(dǎo)體的兩端形成電勢差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個(gè)電勢差也被稱為霍爾電勢差。霍爾效應(yīng)使用右手定則判定。