电子半导体之间的桥允许快速能量共享

研究人员在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室),伯克利,加州发现电子发挥惊人的作用的半导体层之间的传热,对下一代的电子设备。

随着半导体器件变得更小,研究人员正在探索二维(2 d)在晶体管和光电材料潜在的应用。控制流电和热的通过这些材料是其功能的关键,但是首先我们需要了解这些行为在原子尺度上的细节。

好奇如何电子和原子振动彼此两两种材料之间的热流动时,缩放到接口与原子精度允许研究人员发现一个惊人的高效耦合机制。

“我们的工作表明,我们需要超越乐高积木的类比来理解堆栈不同的二维材料,即使层不强烈连着另一个,”阿卡纳拉贾说,伯克利国家实验室的一位科学家在他领导了这一研究。”看似不同的层,事实上,通过共享电子通信通道,允许我们访问和最终设计属性大于部分之和”。

堆叠层的二维半导体材料钨联硒化物(WSe2)和二硫化钨(WS2),研究人员发现,尽管他们没有紧密结合,电子提供了他们之间的一座桥梁,促进了快速传热。

设备被拉贾捏造的集团在伯克利实验室的分子铸造,完善的艺术使用透明胶带升空结晶层的半导体,每不到一个纳米的厚度。使用聚合物邮票土制叠加显微镜下排列,这些层都堆积在彼此顶部,精确地放置在一个微小的窗口,使电子的传输通过样本。

在实验能源部SLAC国家加速器实验室,该团队使用超快电子衍射(发行)来衡量个人的温度层光激动人心的电子在WSe2层。发行作为一个电子相机,捕捉每一层内原子的位置。通过改变激发和探测脉冲之间的时间间隔10秒,他们能独立跟踪每一层的温度变化,通过理论模拟将观察到的原子运动转化为温度。

发行方法使一种新的方式来直接测量温度在这个复杂的异质结构。Aaron Lindenberg斯坦福大学研究报告合著者说,“这些层相距只有几埃,但我们可以选择性地调查他们的反应,由于分辨率的时候,可以在基本调查时间尺度能量是如何以一种新的方式之间共享这些结构”。

他们发现WSe2层加热,正如所料,但令他们吃惊的是,二硫化钨层也同步升温,表明层之间的快速热量的传递。相比之下,当他们没有激发电子WSe2和加热使用金属接触层异质结构相反,WSe2之间的接口和二硫化钨传播热量非常差,确认先前的报道。

“这是非常令人惊讶的看到两层光致激发后几乎同时加热,它激励我们为零的更深的理解发生了什么,”拉贾说。

理解他们的观察,研究小组采用理论计算,利用基于密度泛函理论方法模型原子和电子的行为在这些系统的支持下从激发态的计算研究中心能源材料(C2SEPEM)现象,DOE-funded计算材料科学中心在伯克利实验室。

研究人员进行了广泛的计算电子结构的分层的2 d WSe2 /二硫化钨,以及层内的晶格振动行为。像松鼠穿越森林的树冠,谁能跑沿着路径定义为分支,偶尔跳,电子在材料仅限于特定的状态和转换(称为散射),和知识的电子结构提供了一个指南来解释实验结果。

使用计算机模拟,研究小组研究电子在一层最初想分散,由于晶格振动。他们发现电子想分散混合状态——一种胶状态的电子同时挂在两层。现在团队有一个好主意这些胶状态是什么样子,他们的签名非常自信的说,二维半导体异质结构行为一样。

这项研究最近在出现自然纳米技术。

图像- - - - - -艺术描绘的电子转移由一个超短激光脉冲在两个atomically-thin材料之间的一个接口。这种转移是通过层间的桥梁状态电子能够访问由于两种材料的晶格振动。礼貌:格雷戈里·m·斯图尔特/线性。

更多信息:

劳伦斯伯克利国家实验室

https://www.lbl.gov/

美国能源部科学办公室

https://www.energy.gov/science/office-science