Ultrahurtige lasere kortlægger elektroner, der bliver ballistiske i grafen med implikationer for næste generations elektroniske enheder

Forskning, der vises i ACS Nano afslører den ballistiske bevægelse af elektroner i grafen i realtid.

Observationerne foretaget ved University of Kansas' Ultrafast Laser Lab kan føre til gennembrud inden for styrende elektroner i halvledere, grundlæggende komponenter i de fleste informations- og energiteknologier.

"Generelt bliver elektronbevægelser afbrudt af kollisioner med andre partikler i faste stoffer," sagde hovedforfatter Ryan Scott, en ph.d.-studerende ved KU's Institut for Fysik og Astronomi.

"Dette ligner en person, der løber i en balsal fuld af dansere. Disse kollisioner er ret hyppige - omkring 10 til 100 milliarder gange i sekundet. De bremser elektronerne, forårsager energitab og genererer uønsket varme. Uden kollisioner ville en elektron bevæge sig uafbrudt inden for et fast stof, svarende til biler på en motorvej eller ballistiske missiler gennem luften. Vi omtaler dette som 'ballistisk transport'."

Scott udførte laboratorieeksperimenterne under mentorskab af Hui Zhao, professor i fysik og astronomi ved KU. De fik følgeskab i arbejdet af den tidligere KU-doktorand Pavel Valencia-Acuna, nu postdoc-forsker ved Northwest Pacific National Laboratory.

Zhao sagde, at elektroniske enheder, der bruger ballistisk transport, potentielt kan være hurtigere, mere kraftfulde og mere energieffektive.

"Nuværende elektroniske enheder, såsom computere og telefoner, bruger siliciumbaserede felteffekttransistorer," sagde Zhao. "I sådanne enheder kan elektroner kun drive med en hastighed i størrelsesordenen centimeter i sekundet på grund af de hyppige kollisioner, de støder på. Den ballistiske transport af elektroner i grafen kan udnyttes i enheder med høj hastighed og lavt energiforbrug."

KU-forskerne observerede den ballistiske bevægelse i grafen, et lovende materiale til næste generations elektroniske enheder. Grafen blev først opdaget i 2004 og tildelt Nobelprisen i fysik i 2010. Grafen er lavet af et enkelt lag kulstofatomer, der danner en sekskantet gitterstruktur - lidt ligesom et fodboldnet.

"Elektroner i grafen bevæger sig, som om deres 'effektive' masse er nul, hvilket gør dem mere tilbøjelige til at undgå kollisioner og bevæge sig ballistisk," sagde Scott. "Tidligere elektriske eksperimenter, ved at studere elektriske strømme produceret af spændinger under forskellige forhold, har afsløret tegn på ballistisk transport. Disse teknikker er dog ikke hurtige nok til at spore elektronerne, når de bevæger sig."

Ifølge forskerne er elektroner i grafen (eller enhver anden halvleder) som elever, der sidder i et fuldt klasseværelse, hvor eleverne ikke frit kan bevæge sig rundt, fordi skrivebordene er fyldte. Laserlyset kan frigøre elektroner til et øjeblik at forlade et skrivebord eller "hul", som fysikere kalder dem.

"Lys kan give energi til en elektron for at frigøre den, så den kan bevæge sig frit," sagde Zhao. "Dette svarer til at lade en elev rejse sig og gå væk fra sin plads. Men i modsætning til en ladningsneutral elev er en elektron negativt ladet. Når elektronen har forladt sit "sæde", bliver sædet positivt ladet og hurtigt trækker elektronen tilbage, hvilket resulterer i, at der ikke er flere mobile elektroner - ligesom eleven sidder tilbage."

På grund af denne effekt kan de superlette elektroner i grafen kun forblive mobile i omkring en trilliontedel af et sekund, før de falder tilbage til sit sæde. Denne korte tid udgør en alvorlig udfordring for at observere elektronernes bevægelse. For at løse dette problem designede og fremstillede KU-forskerne en firelags kunstig struktur med to grafenlag adskilt af to andre enkeltlagsmaterialer, molybdændisulfid og molybdændiselenid.

"Med denne strategi var vi i stand til at lede elektronerne til det ene grafenlag, mens vi beholdt deres "sæder" i det andet grafenlag," sagde Scott. "At adskille dem med to lag molekyler, med en samlet tykkelse på kun 1,5 nanometer, tvinger elektronerne til at forblive mobile i omkring 50 billiontedele af et sekund, længe nok til forskerne, udstyret med lasere så hurtige som 0,1 trilliontedele af et sekund , for at studere, hvordan de bevæger sig."

Forskerne bruger en stramt fokuseret laserplet til at frigøre nogle elektroner i deres prøve. De sporer disse elektroner ved at kortlægge prøvens "reflektans" eller procentdelen af ​​lys, de reflekterer.

"Vi ser de fleste genstande, fordi de reflekterer lys til vores øjne," sagde Scott.

"Lysere objekter har større reflektans. På den anden side absorberer mørke objekter lys, hvorfor mørkt tøj bliver varmt om sommeren. Når en mobil elektron flytter til et bestemt sted i prøven, gør det stedet lidt lysere ved at ændre, hvordan elektroner på det sted interagerer med lys. Effekten er meget lille - selv med alt optimeret, ændrer en elektron kun reflektansen med 0,1 del per million."

For at opdage en så lille ændring frigjorde forskerne 20.000 elektroner på én gang ved at bruge en probelaser til at reflektere prøven og måle denne reflektans ved at gentage processen 80 millioner gange for hvert datapunkt. De fandt, at elektronerne i gennemsnit bevæger sig ballistisk i omkring 20 billioner af et sekund med en hastighed på 22 kilometer i sekundet, før de løber ind i noget, der afslutter deres ballistiske bevægelse.

Flere oplysninger: Ryan J. Scott et al., Spatiotemporal Observation of Quasi-Ballistic Transport of Electrons in Graphene, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c08816

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af University of Kansas