Brug af stærke lasere, efterforskere observerer vanvid af elektroner i et nyt materiale

(Phys.org)-Et forskerhold ved University of Kansas har brugt laserdrevne lasere til at spore elektroners hastighed og bevægelse inde i et innovativt materiale, der kun er et atom tykt. Deres resultater er offentliggjort i det aktuelle nummer af ACS Nano , et fagfællebedømt tidsskrift med fokus på nanovidenskab.

Arbejdet på KU's Ultrafast Laser Lab kunne være med til at vise vejen til næste generations transistorer og solpaneler lavet af solide, atom tynde materialer.

"Når det faste stof er et tyndt lag, elektroner er indespærret i dette tynde lag, " sagde Hui Zhao, lektor i fysik og astronomi, der leder teamet. "En elektron, der er fri til at bevæge sig i to dimensioner, opfører sig meget anderledes end dem, der bevæger sig i alle de tre dimensioner. Det ændrer totalt, hvordan elektroner interagerer med miljøet. Under de rigtige forhold, elektroner, der bevæger sig i to dimensioner, er mindre tilbøjelige til at kollidere med andre ting i det faste stof, og derfor er deres bevægelse mindre forstyrret. Hurtigere elektronbevægelse fører ofte til bedre ydelse af enheder. "

For at overvåge elektronerne, Zhao og kandidatstuderende Qiannan Cui, Frank Ceballos og Nardeep Kumar skabte et enkeltatomslag af wolframdisulfid, et materiale, der bruges i solceller og som smøremiddel.

KU -forskerne producerede det eneste atomlag ved at anvende "Scotch tape -metoden", der først blev brugt af forskere, der arbejdede ved University of Manchester til at skabe "grafen, "et materiale, der skaffede dets skabere Nobelprisen i fysik i 2010.

"Wolframdiselenid er et af de få atomtynde materialer, der vides at være stabile under omgivelsesbetingelser, "Sagde Zhao." Vi har ikke mange valgmuligheder. De fleste materialer kan ikke forblive i et enkeltatomisk lagformat. De vil bryde eller konvertere til andre former."

Når teamet skabte en enkelt atom-tyk flage af wolfram-diselenidet, de arrangerede omkring 100 spejle, linser og krystaller på et vibrationsfrit bord for at skabe et transient absorptionsmikroskop. Næste, de fokuserede en ultrakort laserpuls-med en varighed på kun en tiendedel af en milliarddel af et sekund-på prøven. Hundredvis af elektroner i et område på én kvadratmikrometer af materialet absorberede laserens energi og blev energiske nok til at bevæge sig frit i prøven.

"Deres bevægelse ligner de energiske børn, bortset fra at de bevæger sig meget hurtigere og kolliderer meget oftere, "sagde Zhao.

Teamets evne til at spore elektronernes bevægelse og bestemme deres hastighed er undersøgelsens vigtigste gennembrud.

"For at følge bevægelsen af ​​disse energiske elektroner, vi brugte en anden laserpuls til at spore placeringen af ​​disse elektroner ved hvert en milliard sekund, indtil de mistede deres energi og slog sig ned, "Zhao sagde." Målingen blev gentaget 80 millioner gange i sekundet automatisk for at udregne støjværdien. Vi fandt ud af, at elektronerne kolliderer med andre partikler omkring 4 milliarder gange i sekundet, gennemsnitlig."

Elektronernes hastighed i et materiale er en af ​​de vigtigste elektroniske egenskaber, ifølge forskeren.

"Det oversættes til hurtigere drift i logiske enheder og computere, højere effektivitet i solceller og bedre følsomhed i sensorer, " sagde Zhao. "At være i stand til at måle denne kvalitet er det første skridt til at forstå eventuelle begrænsende faktorer og hvordan man kan forbedre dem. Andre forskere udlede elektronbevægelse ved at måle strøm mod spænding. Det er mindre direkte og kræver tilslutning af halvlederen til elektroder. Dette kan være meget svært for små og tynde prøver. Vores tilgang er direkte og ikke -invasiv. "

Ikke tilfreds med blot at overvåge elektronernes aktivitet, Zhao og hans team håber at øge elektronernes ydeevne for at skabe mere effektiv, kraftfulde elektroniske enheder end den nuværende generation, der bruger silikone som transistormateriale.

"Vores næste mål langs denne linje er at finde måder at øge elektronhastigheden ved at for eksempel, at lægge de enkelte lag på et mere passende underlag eller modificere materialet, " sagde han. "En anden retning er at bruge dette materiale, sammen med andre, at danne nye, menneskeskabte 3-D krystaller. Det er muligt, at sådanne krystaller vil blive udviklet i løbet af de næste par år, fordi mange grupper arbejder på det. Det er svært at forudsige, hvornår dette kan kommercialiseres. Dette er kun en potentiel løsning til udskiftning af silicium til elektronikindustrien. Det nuværende mål er at lære at forbedre materialernes kvalitet, reducere omkostningerne, og prøv at forstå deres fordele og ulemper. "