Første gang nogensinde visualiseringer af elektriske porteffekter på elektronisk struktur

Forskere har visualiseret den elektroniske struktur i en mikroelektronisk enhed for første gang, åbner muligheder for fintunede højtydende elektroniske enheder.

Fysikere fra University of Warwick og University of Washington har udviklet en teknik til at måle elektroners energi og momentum i drift af mikroelektroniske enheder fremstillet af atomartynde, såkaldt todimensionel, materialer.

Ved hjælp af disse oplysninger, de kan skabe visuelle repræsentationer af materialernes elektriske og optiske egenskaber for at guide ingeniører i at maksimere deres potentiale i elektroniske komponenter.

Den eksperimentelt ledede undersøgelse er offentliggjort i Natur i dag (17. juli) og kunne også være med til at bane vejen for de todimensionale halvledere, der sandsynligvis vil spille en rolle i den næste generation af elektronik, i applikationer såsom fotovoltaik, mobile enheder og kvantecomputere.

Den elektroniske struktur af et materiale beskriver, hvordan elektroner opfører sig inden for det materiale, og derfor arten af ​​den strøm, der strømmer igennem den. Denne adfærd kan variere afhængigt af spændingen - mængden af ​​'tryk' på dets elektroner - der påføres materialet, og således bestemmer ændringer i den elektroniske struktur med spænding effektiviteten af ​​mikroelektroniske kredsløb.

Disse ændringer i elektronisk struktur i betjeningsenheder er det, der ligger til grund for al moderne elektronik. Indtil nu, imidlertid, der har ikke været nogen måde at se disse ændringer direkte for at hjælpe os med at forstå, hvordan de påvirker elektroners adfærd.

Ved at anvende denne teknik vil forskere have de oplysninger, de har brug for til at udvikle 'finjusterede' elektroniske komponenter, der fungerer mere effektivt og fungerer ved høj ydeevne med lavere strømforbrug. Det vil også hjælpe med udviklingen af ​​todimensionale halvledere, der ses som potentielle komponenter til den næste generation af elektronik, med applikationer inden for fleksibel elektronik, solceller, og spintronics. I modsætning til nutidens tredimensionelle halvledere, todimensionelle halvledere består af kun et par lag atomer.

Dr. Neil Wilson fra University of Warwick's Department of Physics sagde:"Hvordan den elektroniske struktur ændres med spænding, er det, der bestemmer, hvordan en transistor i din computer eller fjernsyn fungerer. For første gang visualiserer vi disse ændringer direkte. Ikke i stand til at se hvordan disse ændringer med spændinger var et stort manglende led. Dette arbejde er på det fundamentale niveau og er et stort skridt i forståelsen af ​​materialer og videnskaben bag dem.

"Den nye indsigt i materialerne har hjulpet os med at forstå båndgabene i disse halvledere, som er den vigtigste parameter, der påvirker deres adfærd, fra hvilken lysbølgelængde de udsender, til hvordan de skifter strøm i en transistor. "

Teknikken anvender vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) til at 'excitere' elektroner i det valgte materiale. Ved at fokusere en stråle af ultraviolet eller røntgenlys på atomer i et lokaliseret område, de ophidsede elektroner slås ud af deres atomer. Forskere kan derefter måle elektronernes energiretning og kørselsretning, hvorfra de kan beregne den energi og det momentum, de havde inden for materialet (ved hjælp af love om bevarelse af energi og momentum). Det bestemmer materialets elektroniske struktur, som derefter kan sammenlignes med teoretiske forudsigelser baseret på state-of-the-art elektroniske strukturberegninger udført i dette tilfælde af forskergruppen medforfatter Dr. Nicholas Hine.

Holdet testede først teknikken ved hjælp af grafen, før den blev anvendt på todimensionale overgangsmetaldichalcogenid (TMD) halvledere. Målingerne blev foretaget ved spektromikroskopi strålelinjen ved ELETTRA synkrotron i Italien, i samarbejde med Dr. Alexei Barinov og hans gruppe der.

Dr. David Cobden, professor i Institut for Fysik ved University of Washington, sagde:"Det plejede at være den eneste måde at lære om, hvad elektronerne laver i en halvledende enhed, ved at sammenligne dens strømspændingsegenskaber med komplicerede modeller. Nu, takket være de seneste fremskridt, der gør det muligt at anvende ARPES -teknikken på små pletter, kombineret med fremkomsten af ​​todimensionale materialer, hvor den elektroniske handling kan være lige på selve overfladen, vi kan direkte måle det elektroniske spektrum i detaljer og se, hvordan det ændrer sig i realtid. Dette ændrer spillet. "

Dr. Xiaodong Xu, fra Department of Physics og Department of Materials Science &Engineering ved University of Washington, sagde:"Denne kraftfulde spektroskopiteknik åbner nye muligheder for at studere grundlæggende fænomener, såsom visualisering af elektrisk afstembar topologisk faseovergang og dopingeffekter på korrelerede elektroniske faser, som ellers er udfordrende. "