צוות המחקר משתמש אקסיטונים לקחת אלקטרוניקה אל העתיד

Anonim

Exitons יכול לחולל מהפכה הדרך מהנדסים הגישה האלקטרוניקה. צוות של חוקרים EPFL יצרה סוג חדש של טרנזיסטור - אחד המרכיבים של מעגלים באמצעות excitons במקום electrons. יש לציין כי הטרנזיסטור המבוסס על אקסיטון שלהם פועל ביעילות בטמפרטורת החדר, מכשול שלא ניתן להתגבר עליו עד כה. הם השיגו זאת באמצעות שני חומרים דו-ממדיים כמוליכים-למחצה. המחקר, שפורסם היום בטבע, בעל השלכות רבות בתחום האקסיטוניקה, תחום חדש ומבטיח של מחקר לצד פוטוניקה וספינטרוניקה.

"המחקר שלנו הראה כי על ידי מניפולציה אקסיטונים, הגענו גישה חדשה לגמרי האלקטרוניקה", אומר אנדרס Kis, העומד בראש המעבדה של EPFL של ננו אלקטרוניקה ומבנים (LANES). "אנחנו עדים להופעת תחום מחקר חדש לגמרי, שהיקףו המלא עדיין איננו יודעים".

פריצת דרך זו קובעת את הבמה למכשירים אופטו-אלקטרוניים שצורכים פחות אנרגיה, והם קטנים ומהירים יותר מהמכשירים הנוכחיים. בנוסף, ניתן יהיה לשלב מערכות תמסורת אופטית ומערכות לעיבוד נתונים אלקטרוניות לאותו מכשיר, אשר יקטין את מספר הפעולות הנדרשות ויעילות את המערכות.

רמת אנרגיה גבוהה יותר

אקסיטונים הם למעשה חלקיקים, מונח המשמש לתיאור האינטראקציה בין החלקיקים המרכיבים חומר מסוים ולא החומר עצמו. אקסיטונים מורכבים מאלקטרון ומחורב אלקטרון. השניים קשורים זה לזה כאשר האלקטרון סופג פוטון ומשיג רמה גבוהה יותר של אנרגיה; האלקטרון "הנרגש" משאיר מאחוריו חור ברמה הקודמת של האנרגיה, אשר, בתיאוריית הלהקה, נקראת להקת ערכיות. חור זה, גם הוא quasiparticle, הוא אינדיקציה של האלקטרון חסר בלהקה זו.

מאז האלקטרון הוא טעונה שלילית ואת החור הוא חיובי טעון, שני החלקיקים נשארים מחויב על ידי כוח אלקטרוסטטי. הקשר בין האלקטרון לבין החור נקרא אטרקציה קולום. וזה במצב של מתח ואיזון שהם יוצרים אקסיטון. כאשר האלקטרון נופל לבסוף לתוך החור, הוא פולט פוטון. ועם זאת, אקסיטון מפסיק להתקיים. במילים פשוטות יותר, פוטון נכנס בקצה אחד של המעגל ויוצא החוצה; ואילו בפנים, זה מעורר exiton כי מתנהג כמו חלקיק.

הצלחה כפולה

רק לאחרונה החלו חוקרים לבחון את המאפיינים של אקסיטונים בהקשר של מעגלים אלקטרוניים. האנרגיה באקסיטונים נחשבה תמיד שברירית מדי, ותוחלת החיים של האקסיטונים קצרה מכדי שתהיה עניין אמיתי בתחום זה. בנוסף, אקסיטונים ניתן לייצר רק נשלט במעגלים בטמפרטורות נמוכות מאוד (סביב -173 מעלות צלזיוס).

פריצת הדרך באה כאשר החוקרים EPFL גילו כיצד לשלוט על תוחלת החיים של excitons וכיצד להעביר אותם מסביב. הם עשו זאת באמצעות שני חומרים 2-D: טונגסטן diselenide (WSe 2) ו דיסולפיד מוליבדן (MoS 2). "האקסיטונים בחומרים אלה מפגינים קשר אלקטרוסטטי חזק במיוחד, וחשוב עוד יותר, הם לא נהרסים במהירות בטמפרטורת החדר", מסביר קיס.

החוקרים גם הצליחו להאריך משמעותית את אורך החיים של האקסיטונים על ידי ניצול העובדה שהאלקטרונים תמיד מצאו את דרכם אל ה- MoS 2, כאשר החורים תמיד הסתיימו ב- WSe 2. החוקרים שמרו את excitons הולך עוד יותר על ידי הגנה על שכבות המוליכים למחצה עם ניטריד בורון (BN).

"יצרנו סוג מיוחד של אקסיטון, שבו שני הצדדים רחוקים יותר מאשר בחלקיקים הקונבנציונאליים", אומר Kis. "זה מעכב את התהליך שבו חוזר האלקטרון אל החור והאור, כאשר בשלב זה, כאשר האקסיטונים נשארים בצורת דיפול למשך זמן ארוך יותר, ניתן לשלוט בהם ולהעבירם באמצעות שדה חשמלי".

menu
menu