Zespół badawczy wykorzystuje ekscytony, aby wprowadzić elektronikę w przyszłość

WAT - zastosowania ciekłych kryształów (Lipiec 2019).

Anonim

Ekscytoncje mogą zrewolucjonizować sposób, w jaki inżynierowie podchodzą do elektroniki. Zespół naukowców EPFL stworzył nowy typ tranzystora - jeden z elementów obwodów - wykorzystujący ekscytony zamiast elektronów. Warto zauważyć, że ich tranzystor oparty na ekscytonie działa skutecznie w temperaturze pokojowej, co stanowi przeszkodę nie do pokonania. Osiągnęli to, wykorzystując dwa materiały 2-D jako półprzewodniki. Ich badania, opublikowane dzisiaj w Nature, mają liczne implikacje w dziedzinie ekscytoniki, obiecującej nowej dziedziny nauki, obok fotoniki i spintroniki.

"Nasze badania wykazały, że manipulując ekscytonami, odkryliśmy zupełnie nowe podejście do elektroniki" - mówi Andras Kis, który kieruje Laboratorium Nanoskalowej Elektroniki i Struktur (LANES) EPFL. "Jesteśmy świadkami pojawienia się zupełnie nowego kierunku studiów, którego pełnego zakresu jeszcze nie znamy".

Ten przełom wyznacza etap dla urządzeń optoelektronicznych, które zużywają mniej energii i są zarówno mniejsze, jak i szybsze niż obecne urządzenia. Ponadto możliwe będzie zintegrowanie systemów transmisji optycznej i elektronicznego przetwarzania danych w jednym urządzeniu, co zmniejszy liczbę wymaganych operacji i sprawi, że systemy staną się bardziej wydajne.

Wyższy poziom energii

Ekscytony są w rzeczywistości kwazicząstkami, terminem używanym do opisania interakcji między cząstkami tworzącymi daną substancję, a nie samą substancją. Ekscytony składają się z elektronu i dziury elektronowej. Oboje są związani razem, gdy elektron pochłania foton i osiąga wyższy poziom energii; "wzbudzony" elektron pozostawia za sobą dziurę w poprzednim poziomie energii, który w teorii pasm nazywany jest pasmem walencyjnym. Ta dziura, także kwazicząstka, jest wskaźnikiem brakującego elektronu w tym paśmie.

Ponieważ elektron jest naładowany ujemnie, a otwór jest naładowany dodatnio, dwie cząstki pozostają związane siłą elektrostatyczną. Ta więź między elektronem a otworem jest nazywana atrakcją Coulomba. I właśnie w tym stanie napięcia i równowagi tworzą one ekscyton. Kiedy elektron w końcu wraca do dziury, emituje foton. A wraz z tym ekscyton przestaje istnieć. Mówiąc prościej, foton wchodzi na jednym końcu obwodu i wychodzi na drugi; podczas gdy w środku powstaje ekscyton, który działa jak cząsteczka.

Podwójny sukces

Dopiero niedawno naukowcy zaczęli przyglądać się właściwościom ekscytonów w kontekście układów elektronicznych. Energia w ekscytonach była zawsze uważana za zbyt delikatną, a ekscytonowe życie było zbyt krótkie, by mogło wzbudzić jakiekolwiek zainteresowanie tą dziedziną. Ponadto ekscytony mogły być wytwarzane i kontrolowane w obwodach w skrajnie niskich temperaturach (około -173 ° C).

Przełom nastąpił, gdy badacze EPFL odkryli, jak kontrolować długość życia ekscytonów i jak je przenosić. Zrobili to, wykorzystując dwa materiały 2D: diselenide wolframu (WSe 2) i disiarczek molibdenu (MoS 2). "Ekscytony w tych materiałach wykazują szczególnie silne wiązanie elektrostatyczne, a co ważniejsze, nie są szybko niszczone w temperaturze pokojowej" - wyjaśnia Kis.

Naukowcy byli również w stanie znacznie wydłużyć żywotność ekscytonów, wykorzystując fakt, że elektrony zawsze trafiały do ​​MoS 2, podczas gdy dziury zawsze kończyły się na WSe 2. Naukowcy utrzymywali ekscytony jeszcze dłużej, chroniąc warstwy półprzewodnikowe azotkiem boru (BN).

"Stworzyliśmy specjalny rodzaj ekscytonu, w którym obie strony są bardziej oddalone niż w konwencjonalnej cząstce" - mówi Kis. "To opóźnia proces, w którym elektron wraca do otworu i wytwarza światło." To jest w tym momencie, kiedy ekscytony pozostają w formie dipolowej przez nieco dłużej, że mogą być kontrolowane i poruszane za pomocą pola elektrycznego. "

menu
menu