Campo magnético en la Elipsometría

Giovanni Marín

30/05/2022

Saludos mis estimados amigos de la comunidad científica #stem-espanol

En los estudios de las propiedades ópticas de los materiales se aplica una técnica llamada Elipsometría Espectroscópica y nos permite escudriñar la interacción de la luz con el material semiconductor, pero de manera superficial si usamos un ángulo de inclinación entre la fuente de iluminación, la muestra a estudiar y el detector de señales. Con esta configuración podemos obtener los valores de ciertos parámetros ópticos: constante dieléctrica, índice de refracción y hasta lograremos calcular la brecha de energía del material semiconductor.

https://images.hive.blog/DQmcsGPobaW2JyU4cbbaQHN7F4YcpqD6EcVZ4MNWnwGQWhR/imagen.pngElipsómetro Espectroscópico

Hace un tiempo atrás presenté los detalles técnicos del Elipsómetro Espectroscópico M-2000X y su calibración, luego realicé algunas mediciones de prueba en las obleas de Silicio dopadas con capas de diferentes espesores (~250,400 y 600 Å de SiO₂), precisamente para determinar las propiedades ópticas de los diferentes materiales en 1, 2 o más capas, y en especial determinar el espesor de estas estructuras de capas.

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Sin embargo, el campo de aplicación de esta técnica espectroscópica no solamente se queda en el ámbito de los parámetros ópticos ("k", "n", "Ɛ₁" "Ɛ₂") o de los parámetros elipsométricos Delta "Δ" y Psi "Ψ", sino que se puede extender hasta otras interacciones eléctricas y magnéticas como el Efecto Kerr o el Efecto Pockels. En estos 2 fenómenos se aplica un pequeño voltaje sobre la muestra, creando un campo eléctrico que modifica su índice de refracción haciéndola birrefringente por los cambios en sus cargas eléctricas internas.

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Lo que se pretende estudiar es el efecto que pueda tener la incorporación de los imanes de neodimio (≈ 0,15 Tesla) alrededor de la muestra semiconductora, pudiendo afectar el índice de refracción al estar envuelta dentro de un campo magnético externo. Para este experimento seguimos usando la fuente de radiación de la lámpara de Xenón (75 W de potencia), en un rango de λ = [245 - 1000] nm

Elipsometría y campo magnético

Tomé una muestra del semiconductor CuInTe₂ dopado con Fe_0,05 y realicé la medida de Espectroscopía Elipsométrica entre 1,24 y 5,06 eV. En la siguiente imagen se presenta el espectro: i) sin campo magnético, ii) con densidad de campo magnético de 0,15 T (imán horizontal) y iii) con densidad de campo magnético de 0,15 T (imán vertical).

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No se observan cambios en el índice de refracción (n) ni en el coeficiente de extinción (k), posiblemente porque la densidad del campo magnético es de baja intensidad. Sin embargo, si vemos otros parámetros elipsométricos, podemos detallar una mínima variación de Psi "Ψ" y que da cuenta de una disminución leve causada por la reflexión superficial de la muestra, en otras palabras se vio afectada la polarización lineal de entrada respecto a la polarización elíptica de salida.

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Pensé que tal vez la densidad del campo magnético es muy débil y le aumenté hasta un valor de 0,30 Tesla para ver si causaba una perturbación considerable en estos parámetros elipsométricos, también disminuí la separación entre los imanes para que las líneas del campo magnético interactuaran sobre el semiconductor bajo estudio, así que la configuración quedó de la siguiente manera:

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El próximo ensayo fue con una muestra de CuGaSe_1,2Te_0,8 con las condiciones: i) sin imán, ii) con 1 par de imanes (0,15 T) y iii) con 2 pares de imanes (0,30 T). Resultando una pequeña variación (incremento) del índice de refracción "n" y del coeficiente de extinción "k" respecto a las mediciones sin campo magnético. La influencia de la presencia del campo magnético alrededor del semiconductor bajo estudio puede afectar estos parámetros elipsométricos de manera similar a lo que sucede con los efectos Kerr y Pockels en diferentes grados de intensidad y a medida que varía la longitud de onda sobre el material.

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Aportes de esta publicación.

La innovación científica radica en la disponibilidad de equipos de medición y en la imaginación del investigador, ya que una técnica de espectroscopía elipsométrica se convirtió en una herramienta para analizar la influencia de un campo magnético sobre las propiedades ópticas de un material semiconductor, de manera similar a lo que ocurre con el Efecto Hall y la desviación de los portadores de carga en el material, modificando sus propiedades eléctricas. Pensando en que tengo la disponibilidad de un espectrofotómetro, con variación de la longitud de onda en un amplio rango de energía, puedo adaptar unas conexiones eléctricas para estudiar la fotoconductividad en algunos semiconductores.

Bibliografía y lecturas recomendadas:

○ Elipsometría

○ Efecto Kerr
○ Efecto Pockels
○ Clasificación de la polarización

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