Forskerhold bruger excitoner til at tage elektronik ind i fremtiden

Excitoner kan revolutionere den måde, ingeniører nærmer sig elektronik på. Et team af EPFL-forskere har skabt en ny type transistor - en af ​​komponenterne i kredsløb - ved hjælp af excitoner i stedet for elektroner. Især deres exciton-baserede transistor fungerer effektivt ved stuetemperatur, en hidtil uoverstigelig hindring. De opnåede dette ved at bruge to 2-D materialer som halvledere. Deres studie, som blev offentliggjort i dag i Natur , har talrige implikationer inden for excitonik, et lovende nyt studieområde ved siden af ​​fotonik og spintronik.

"Vores forskning viste, at ved at manipulere excitoner, vi var stødt på en helt ny tilgang til elektronik, " siger Andras Kis, der leder EPFL's Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures (LANES). "Vi er vidne til fremkomsten af ​​et helt nyt studieretning, det fulde omfang, som vi endnu ikke kender."

Dette gennembrud sætter scenen for optoelektroniske enheder, der forbruger mindre energi og er både mindre og hurtigere end nuværende enheder. Ud over, det vil være muligt at integrere optiske transmissions- og elektroniske databehandlingssystemer i den samme enhed, hvilket vil reducere antallet af nødvendige operationer og gøre systemerne mere effektive.

Højere energiniveau

Excitoner er faktisk kvasipartikler, et udtryk, der bruges til at beskrive samspillet mellem de partikler, der udgør et givent stof frem for selve stoffet. Excitoner består af en elektron og et elektronhul. De to er bundet sammen, når elektronen absorberer en foton og opnår et højere energiniveau; den "ophidsede" elektron efterlader et hul i det tidligere energiniveau, hvilken, i bandteori, kaldes et valensbånd. Dette hul, også en kvasipartikel, er en indikation af den manglende elektron i dette bånd.

Da elektronen er negativt ladet, og hullet er positivt ladet, de to partikler forbliver bundet af en elektrostatisk kraft. Denne binding mellem elektronen og hullet kaldes Coulomb-attraktion. Og det er i denne tilstand af spænding og balance, at de danner en exciton. Når elektronen endelig falder tilbage i hullet, den udsender en foton. Og med det, excitonen ophører med at eksistere. Mere enkelt, en foton går ind i den ene ende af kredsløbet og kommer ud i den anden; mens man er inde, det giver anledning til en exciton, der virker som en partikel.

Dobbelt succes

Det er først for nylig, at forskere er begyndt at se på excitoners egenskaber i forbindelse med elektroniske kredsløb. Energien i excitoner var altid blevet anset for at være for skrøbelig og excitonens levetid for kort til at være af nogen reel interesse i dette domæne. Ud over, excitoner kunne kun produceres og kontrolleres i kredsløb ved ekstremt lave temperaturer (omkring -173 grader C).

Gennembruddet kom, da EPFL-forskerne opdagede, hvordan man kontrollerer excitonernes levetid, og hvordan man flytter dem rundt. De gjorde dette ved at bruge to 2-D materialer:wolfram diselenid (WSe ₂ ) og molybdændisulfid (MoS ₂ ). "Excitonerne i disse materialer udviser en særlig stærk elektrostatisk binding og, endnu vigtigere, de ødelægges ikke hurtigt ved stuetemperatur, " forklarer Kis.

Forskerne kunne også forlænge excitonernes levetid betydeligt ved at udnytte det faktum, at elektronerne altid fandt vej til MoS ₂ mens hullerne altid endte i WSe ₂ . Forskerne holdt excitonerne i gang endnu længere ved at beskytte halvlederlagene med bornitrid (BN).

"Vi skabte en speciel type exciton, hvor de to sider er længere fra hinanden end i den konventionelle partikel, " siger Kis. "Dette forsinker processen, hvor elektronen vender tilbage til hullet, og der produceres lys. Det er på dette tidspunkt, når excitonerne forbliver i dipolform i lidt længere tid, at de kan styres og flyttes rundt ved hjælp af et elektrisk felt."