半导体是现代电子学的基石。它们用于太阳能电池，发光二极管(LED)，笔记本电脑和手机中的微处理器等。它们中的大多数由硅制成，但是硅有其局限性。因此，几十年来，研究人员一直在探索具有使其成为更好，更轻，更便宜的节能灯，太阳能电池甚至是太阳能束缚“涂料”的理想之选的新材料。

　　为了确定一种新材料是否有望作为半导体或满足制造商的规格，公司必须能够从本质上计算出漂浮在材料中的可自由移动的“电荷载流子”的数量，以及它们的移动性或能力移动。负载流子是电子。正载流子称为“空穴”，是缺少电子的地方。半导体通常掺杂有杂质，以增加材料的一个区域中的自由电子的数量和材料的另一区域中的自由空穴的数量，这使半导体具有负极性和正极性。

　　传统的测量载流子浓度的方法称为霍尔方法*，需要一些时间和技巧：它需要将一系列金属电触点手工焊接到材料的晶片上，使该晶片暴露于磁场中，并施加电流。 ，并测量电压。(请参见动画。)

　　但是，尽管霍尔法对硅很有效，但对于许多有前途的奇特材料来说，它通常根本不起作用。NIST物理测量实验室(PML)的Ted Heilweil说：“接触不牢固。” “你就是无法把东西粘起来。”

　　Heilweil和他的NIST同事一直在探索另一种可能的选择，这种方法根本不需要任何电气接触。取而代之的是，它涉及使光脉冲穿过半导体材料的样本并测量从另一面出来的光量。

　　基于激光的新方法使用太赫兹(THz)辐射来测量材料中的载流子数量，太赫兹辐射的波长比人眼所见的波长长得多，在远红外至微波范围内。对于太赫兹光，纯硅和其他半导体基本上是不可见的。但是吸收光的一件事是电荷载流子自由移动。因此，材料中存在的自由电子和空穴越多，发出的光越少。

　　为了了解新方法相对于传统霍尔技术的效果如何，NIST团队对各种样品晶片和晶体进行了两项测试，所有这些晶片和晶体都可以从市场上买到，并且受到行业的积极研究。样品包括纯硅晶片和掺有各种杂质的硅晶片，以及锗和碲化锌，砷化镓和磷化镓的晶体碎片。样品厚度范围从300微米到仅4或7微米-只是人类头发厚度的一小部分。

　　NIST PML的罗伯特·瑟伯(Robert Thurber)使用传统方法测量晶圆已有数十年之久，他使用霍尔技术对每个样品进行了测试。然后，他将这些样品传递给了Heilweil的实验室，以太赫兹仪器进行测试。NIST国家研究委员会(NRC)博士后研究员Brian Alberding也致力于执行和分析光学测量。

　　结果?Heilweil说，光学方法效果很好。对于硅晶片，霍尔法和太赫兹法的数字非常吻合-彼此相差50%以内，而且通常也与过去其他实验室所发表的数字相符。对于可以进行两种类型的测量的非硅样品，其值也吻合良好，落在彼此的测量不确定度之内。这一成功使研究人员对他们无法使用霍尔方法可靠测试的材料(例如碲化锌)进行的太赫兹测量更有信心。

　　据作者所知，该研究是首次将新方法和旧方法用于相同的样本。“总是让我感到困扰的是，有接触法和非接触法，但两者之间没有可比性，”海尔威尔说。“使用这种方法，我们能够进行很好的比较。”

　　这种方法的好处是它可以用于研究光掺杂或使用光来暂时增加半导体的导电性。基本上这就是太阳能电池的工作方式：太阳照亮一种物质，并产生相等数量的电子和空穴。对于这项工作，NIST研究人员使用另一种频率不同的第二光束来激活材料，具体取决于所探测的材料。然后，他们使用太赫兹光束告诉他们产生了多少个自由电子和空穴，以及它们的迁移率，或者它们在材料中移动的容易程度。

　　除了可以评估以前无法测试的材料之外，激光技术还可以用于硅晶片的更快质量控制工作。某天，测试就像将样品插入光学读取器并几乎立即获得结果一样容易。Heilweil说，这对于研发而言可能是巨大的，因为公司可以快速测试新创意，新设备和新材料，以查看其工作状况。

　　但是，到目前为止，该技术需要昂贵的激光系统，因此，在将其集成到大多数制造商的实验室之前，需要对其进行商业化。同时，Heilweil继续使用激光方法研究稀有材料，例如氧化钌(一种有前途的透明导电材料)以及石墨烯和其他具有纳米级层的2D导电材料，这些材料有一天可以用于将电子设备涂在表面上。“我想，如果我能以这种方式在科学界有所作为，那将是非常酷的事情，”海尔威尔说。