Исследование появившееся в ACS Nano раскрывает баллистическое движение электронов в графене в реальном времени.

Наблюдения, сделанные в Университете Канзаса’ Лаборатория сверхбыстрых лазеров может привести к прорыву в управлении электронами в полупроводниках, фундаментальных компонентах большинства информационных и энергетических технологий.

«Обычно движение электронов прерывается столкновениями с другими частицами в твердых телах», — сказал он. — сказал ведущий автор Райан Скотт, аспирант кафедры физики и физико-математического искусства Университетского университета.

«Это похоже на бег в бальном зале, полном танцоров. Эти столкновения происходят довольно часто — от 10 до 100 миллиардов раз в секунду. Они замедляют движение электронов, вызывают потерю энергии и выделяют нежелательное тепло. Без столкновений электрон мог бы непрерывно двигаться внутри твердого тела, подобно автомобилям на автостраде или баллистическим ракетам по воздуху. Мы называем это «баллистическим транспортом».

Скотт проводил лабораторные эксперименты под руководством Хуэй Чжао, профессора физики и хирурга. астрономии в КУ. К их работе присоединился бывший аспирант Калифорнийского университета Павел Валенсия-Акуна, ныне постдокторант в Национальной лаборатории северо-западной части Тихого океана.

Чжао сказал, что электронные устройства, использующие баллистический транспорт, потенциально могут быть быстрее, мощнее и энергоэффективнее.

«В современных электронных устройствах, таких как компьютеры и телефоны, используются полевые транзисторы на основе кремния» — сказал Чжао. «В таких устройствах электроны могут дрейфовать только со скоростью порядка сантиметров в секунду из-за частых столкновений, с которыми они сталкиваются. Баллистический транспорт электронов в графене может быть использован в устройствах с высокой скоростью и низким энергопотреблением».

Исследователи КУ наблюдали баллистическое движение в графене, многообещающем материале для электронных устройств следующего поколения. Графен, впервые обнаруженный в 2004 году и получивший Нобелевскую премию по физике в 2010 году, состоит из одного слоя атомов углерода, образующих гексагональную решетчатую структуру, напоминающую футбольную сетку.

«Электроны в графене движутся так, как будто их «эффективное» движение не происходит. масса равна нулю, что позволяет им с большей вероятностью избегать столкновений и двигаться баллистически», — сказал Скотт. «Предыдущие электрические эксперименты по изучению электрических токов, создаваемых напряжением в различных условиях, выявили признаки баллистического переноса. Однако эти методы недостаточно быстры, чтобы отслеживать движение электронов».

По мнению исследователей, электроны в графене (или любом другом полупроводнике) подобны ученикам, сидящим в переполненном классе, где ученики не могут свободно передвигаться, потому что парты заполнены. Лазерный свет может освободить электроны.

«Свет может дать энергию электрону, чтобы освободить его, чтобы он мог свободно двигаться», — сказал он. — сказал Чжао. «Это похоже на то, как если бы студент мог встать и уйти со своего места. Однако, в отличие от заряженно-нейтрального студента, электрон заряжен отрицательно. Как только электрон покинул свое «место», сиденье становится положительно заряженным и быстро утягивает электрон назад, в результате чего подвижных электронов больше не остается, как у студента, садящегося обратно».

Из-за этого эффекта сверхлегкие электроны в графене могут оставаться подвижными только одну триллионную долю секунды, прежде чем вернуться на свое место. Это короткое время представляет собой серьезную проблему для наблюдения за движением электронов. Чтобы решить эту проблему, исследователи из КУ разработали и изготовили четырехслойную искусственную структуру с двумя слоями графена, разделенными двумя другими однослойными материалами: дисульфидом молибдена и диселенидом молибдена.

«Благодаря этой стратегии мы смогли направить электроны к одному графеновому слою, сохраняя при этом их «места». в другом слое графена» — сказал Скотт. «Разделение их двумя слоями молекул общей толщиной всего 1,5 нанометра заставляет электроны оставаться подвижными в течение примерно 50 триллионных долей секунды, что достаточно долго для исследователей, оснащенных лазерами со скоростью 0,1 триллионной доли секунды». во-вторых, изучить, как они движутся».

Исследователи используют сильно сфокусированное лазерное пятно, чтобы высвободить некоторое количество электронов в образце. Они отслеживают эти электроны, отображая «коэффициент отражения». образца или процент света, который они отражают.

«Мы видим большинство объектов, потому что они отражают свет, попадающий в наши глаза», — сказал он. — сказал Скотт.

«Более яркие объекты имеют большую отражательную способность. С другой стороны, темные предметы поглощают свет, поэтому летом в темной одежде становится жарко. Когда подвижный электрон перемещается в определенное место образца, это место становится немного ярче за счет изменения взаимодействия электронов в этом месте со светом. Эффект очень мал — даже если все оптимизировано, один электрон меняет коэффициент отражения всего на 0,1 части на миллион».

Чтобы обнаружить такое небольшое изменение, исследователи высвободили 20 000 электронов одновременно, используя зондирующий лазер для отражения от образца и измерения этой отражательной способности, повторяя процесс 80 миллионов раз для каждой точки данных. Они обнаружили, что электроны в среднем движутся баллистически в течение примерно 20 триллионных долей секунды со скоростью 22 километра в секунду, прежде чем столкнуться с чем-то, что прекращает их движение.