Enkeltatom-tyk halvledersandwich er et væsentligt skridt mod ultra-lav-energi elektronik

En ny 'sandwich-stil' fremstillingsproces, der placerer en halvleder kun et atom tyndt mellem to spejle, har gjort det muligt for australske forskere at tage et væsentligt skridt hen imod ultra-lavenergielektronik baseret på let-stof hybridpartikler exciton-polaritoner.

Studiet, ledet af Australian National University, demonstreret robust, dissipationsfri udbredelse af en exciton blandet med lys, der hopper mellem højkvalitetsspejlene.

Konventionel elektronik er afhængig af strømmende elektroner, eller 'huller' (et hul er fraværet af en elektron, dvs. en positivt ladet kvasipartikel).

Imidlertid, et stort område inden for fremtidens elektronik fokuserer i stedet på brugen af ​​excitoner (en elektron bundet til et hul), fordi i princippet, de kunne flyde i en halvleder uden at miste energi ved at danne en kollektiv superfluid tilstand. Og excitons i roman, aktivt studerede atom-tynde halvledere er stabile ved stuetemperatur.

Atomisk tynde halvledere er således en lovende klasse af materialer til lavenergiapplikationer såsom nye transistorer og sensorer. Imidlertid, netop fordi de er så tynde, deres egenskaber, inklusive strømmen af ​​excitoner, er stærkt påvirket af uorden eller ufuldkommenheder, som kan indføres under fremstillingen.

Det ANU-ledede FLEET-team – med kolleger ved Swinburne University og FLEET Partnerinstitution Wroclaw University – har koblet excitonerne i et atomisk tyndt materiale til lys for for første gang at demonstrere deres langdistanceudbredelse uden nogen form for spredning af energi, ved stuetemperatur.

Når en exciton (stof) binder til en foton (lys), den danner en ny hybridpartikel - en exciton-polariton. At fange lys mellem to parallelle højkvalitetsspejle i et optisk mikrohulrum tillader dette at ske.

I den nye undersøgelse, en ny 'sandwich-stil' fremstillingsproces for det optiske mikrohulrum gjorde det muligt for forskerne at minimere skader på den atomisk tynde halvleder og maksimere interaktionen mellem excitonerne og fotonerne. Exciton-polaritonerne dannet i denne struktur var i stand til at forplante sig uden energidissipation over titusinder af mikrometer, den typiske skala for en elektronisk mikrochip.

Mikrohulrumskonstruktion er nøglen

Et optisk mikrohulrum af høj kvalitet, der sikrer levetiden af ​​lys (fotonisk) komponent af exciton-polaritoner, er nøglen til disse observationer.

Undersøgelsen viste, at exciton-polaritoner kan gøres bemærkelsesværdigt stabile, hvis mikrohulrummet er konstrueret på en bestemt måde, undgå beskadigelse af den skrøbelige halvleder klemt mellem spejlene under fremstillingen.

"Valget af det atomisk tynde materiale, som excitonerne bevæger sig i, er langt mindre vigtigt, " siger hovedforfatter og korresponderende forfatter Matthias Wurdack.

"Vi fandt ud af, at konstruktionen af ​​det mikrohulrum var nøglen, siger Matthias, "Og mens vi brugte wolframsulfid (WS2) i dette særlige eksperiment, Vi tror, ​​at ethvert andet atomisk tyndt TMDC-materiale også ville fungere."

(Overgangsmetal dichalcogenider er fremragende værter for excitoner, vært for excitoner, der er stabile ved stuetemperatur og interagerer stærkt med lys).

Holdet byggede mikrohulrummet ved at stable alle dets komponenter én efter én. Først, et bundspejl af mikrohulrummet er fremstillet, derefter anbringes et halvlederlag på det, og så fuldendes mikrohulrummet ved at placere endnu et spejl ovenpå. Kritisk, holdet afsatte ikke den øvre spejlstruktur direkte på den notorisk skrøbelige atom-tynde halvleder, som let beskadiges under enhver materialeaflejringsproces.

"I stedet, vi fremstiller hele topstrukturen separat, og placer den så oven på halvlederen mekanisk, som at lave en sandwich, siger Matthias.

"Således undgår vi enhver skade på den atomisk tynde halvleder, og bevare egenskaberne af dets excitoner."

Vigtigt, forskerne optimerede denne sandwichmetode for at gøre hulrummet meget kort, hvilket maksimerede exciton-foton-interaktionen.

"Vi har også nydt godt af en smule serendipity, " siger Matthias. "En fabrikationsulykke, der endte med at blive nøglen til vores succes!"

Det serendipitære 'uheld' kom i form af en luftspalte mellem de to spejle, gør dem ikke strengt parallelle.

Denne kile i mikrokaviteten skaber en spænding/potentiale 'hældning' for exciton-polaritonerne, hvor partiklerne bevæger sig enten op eller ned ad skråningen.

Forskerne opdagede, at en del af exciton-polaritonerne rejser med bevarelse af total (potentiel og kinetisk) energi, både op og ned ad stigningen. Rejser ned ad skråningen, de omdanner deres potentielle energi til samme mængde kinetisk energi, og omvendt.

Den perfekte bevaring af total energi betyder, at ingen energi går tabt i varme (på grund af 'friktion'), som signalerer 'ballistisk' eller dissipationsfri transport for polaritoner. Selvom polaritonerne i denne undersøgelse ikke danner en superfluid, fraværet af dissipation opnås, fordi alle spredningsprocesser, der fører til energitab, undertrykkes.

"Denne demonstration, for første gang, ballistisk transport af stuetemperaturpolaritoner i atomisk tynde TMDC'er er et væsentligt skridt mod fremtiden, ultra-lavenergi exciton-baseret elektronik, " siger gruppeleder professor Elena Ostrovskaya (ANU).

Udover at skabe den potentielle "hældning, "den samme fabrikationsulykke skabte en potentiel brønd for exciton-polaritoner. Dette gjorde det muligt for forskerne at fange og akkumulere de rejse exciton-polaritoner i brønden - et væsentligt første skridt til at fange og guide dem på en mikrochip."

Lang distance, stuetemperatur flow af exciton-polaritoner

Desuden, forskerne bekræftede, at exciton-polaritoner kan forplante sig i den atomisk tynde halvleder i titusvis af mikrometer (let langt nok til funktionel elektronik), uden at sprede sig på materialefejl. Dette er i modsætning til excitoner i disse materialer, hvis rejselængde er dramatisk reduceret af disse defekter.

I øvrigt, exciton-polaritonerne var i stand til at bevare deres iboende sammenhæng (korrelation mellem signal på forskellige punkter i rum og tid), hvilket lover godt for deres potentiale som informationsbærere.

"Denne lang rækkevidde, kohærent transport blev opnået ved stuetemperatur, hvilket er vigtigt for udviklingen af ​​praktiske anvendelser af atomisk tynde halvledere," sagde Matthias Wurdack.

Hvis fremtidige excitoniske enheder skal være levedygtige, lavenergi alternativ til konventionelt elektronisk udstyr, de skal kunne fungere ved stuetemperatur, uden behov for energikrævende køling.

"Faktisk, kontraintuitivt, vores beregninger viser, at udbredelseslængden bliver længere ved højere temperaturer, hvilket er vigtigt for teknologiske anvendelser, " sagde Matthias.

"Motionel indsnævring, ballistisk transport, og indfangning af stuetemperatur exciton polaritoner i en atomisk tynd halvleder" blev offentliggjort i Naturkommunikation i september 2021.