Znanstveniki ustvarjajo ultratne polprevodniške heterostrukture za nove tehnologije

Ferariji na vodi (Julij 2019).

Anonim

Heterostrukture, ki jih tvorijo različni tridimenzionalni polprevodniki, so temelj sodobnih elektronskih in fotonskih naprav. Zdaj so znanstveniki Univerze v Washingtonu uspešno združili dva različna ultraljska polprevodnika - vsaka je bila le ena plast atomov debela in približno 100.000 krat tanjša od človeških las - ustvarila novo dvodimenzionalno heterostrukturo s potencialno uporabo v čisti energiji in optično aktivni elektroniki. Ekipa, ki jo vodi Boeing Distinguished Associate Professor Xiaodong Xu, je objavila svoje ugotovitve v članku, objavljenem 12. februarja v reviji Science.

Višji avtor Xu in vodilni avtorji Kyle Seyler in Pasqual Rivera, doktorski študent na oddelku za fiziko UW, sta sintetizirala in raziskala optične lastnosti novega tipa polprevodniških sendvičov.

"Tukaj vidimo, se razlikuje od heterostruktur, izdelanih iz 3-D polprevodnikov, " je dejal Xu, ki ima skupne imenike na Oddelku za fiziko in Oddelku za materialne vede in inženiring. "Ustvarili smo sistem za preučevanje posebnih lastnosti teh atomsko tankih slojev in njihovega potenciala, da odgovorimo na osnovna vprašanja o fiziki in razvijamo nove elektronske in fotonske tehnologije."

Ko polprevodniki absorbirajo svetlobo, se lahko pari pozitivnih in negativnih nabojev oblikujejo in vežejo skupaj, da ustvarijo tako imenovane eksitone. Znanstveniki že dolgo preučujejo, kako se ti eksitoni obnašajo, toda ko se v teh atomsko tankih materialih stisnejo na 2-D limit, lahko pride do presenetljivih interakcij.

Medtem ko tradicionalni polprevodniki manipulirajo s pretokom elektronskega naboja, ta naprava omogoča ohranjanje eksitonov v "dolinah", koncept iz kvantne mehanike, podobne vrtenju elektronov. To je kritičen korak pri razvoju novih tehnologij nanodelcev, ki integrirajo svetlobo z elektroniko.

"Bilo je že znano, da imajo ti ultralni 2-D polprevodniki te edinstvene lastnosti, ki jih ne morete najti v drugih 2-D ali 3-D aranžmajih, " je dejal Xu. "Toda, kot smo prikazali tukaj, ko postavimo ti dve plasti skupaj, eden na vrhu drugega - vmesnik med temi listi postane mesto še bolj novih fizičnih lastnosti, ki jih v posameznih plasteh ne vidite sami ali v 3-D različici. "

Xu in njegova ekipa sta želeli ustvariti in raziskati lastnosti 2-D polprevodniške heterostrukture, sestavljene iz dveh različnih slojev materiala, naravnega širjenja njihovih prejšnjih študij na atomsko tanke povezave, pa tudi nanometričnih laserjev na osnovi atomsko tankih slojev polprevodniki. S preučevanjem, kako laserska svetloba interakcijo s to heterostrukturo, so zbrali informacije o fizičnih lastnostih na atomsko ostrih vmesnikih.

"Veliko skupin je proučevalo optične lastnosti posameznih 2-D listov, " je dejal Seyler. "To, kar počnemo tukaj, je skrbno kupiti en material na vrhu drugega in nato preučiti nove lastnosti, ki nastanejo na vmesniku."

Ekipa je pridobila dve vrsti polprevodniških kristalov, volframovega diselenida (WSe2) in molibden diselenida (MoSe2), od sodelavcev v Oak Ridge National Laboratory. Uporabili so pripomočke, razvite v hiši, da bi natančno uredili dve plasti, ena, pridobljena iz vsakega kristala, proces, ki je trajal nekaj let, da se v celoti razvije.

"Toda zdaj, ko vemo, kako to storiti pravilno, lahko naredimo nove v enem ali dveh tednih, " je dejal Xu.

Pridobivanje teh naprav za oddajanje svetlobe predstavlja edinstven izziv, zaradi lastnosti elektronov v vsaki plasti.

"Ko imaš ta dva lista materiala, je bistveno vprašanje, kako položiti obe plasti skupaj, " je dejal Seyler. Elektroni v vsakem sloju imajo edinstvene značilnosti spina in doline, in "kako jih postavljate - njihov zvitek zvijanja - vpliva na to, kako vplivajo na svetlobo".

S poravnavo kristalnih rešetk so lahko avtorji vzbujali heterostrukturo z laserjem in ustvarili optično aktivne eksitone med obema slojema.

"Ti eksitoni na vmesniku lahko shranijo podatke o dolini za naročila velikosti, daljša od katere koli plasti kot take", je rekla Rivera. "Ta dolga življenjska doba omogoča očarljive učinke, ki lahko privedejo do nadaljnjih optičnih in elektronskih aplikacij s funkcionalnostjo doline."

Zdaj, ko lahko učinkovito izdelajo polprevodniško heterostrukturo iz 2-D materialov, Xu in njegova ekipa želita raziskati številne fascinantne fizikalne lastnosti, vključno s tem, kako se obnašanje eksitona spreminja, ko spreminjajo kota med sloji, kvantne lastnosti eksitonov med plasti in električno pogonsko svetlobo.

"Obstaja cela industrija, ki želi uporabiti te 2-D polprevodnike za izdelavo novih elektronskih in fotonskih naprav, " je dejal Xu. "Zato poskušamo proučiti temeljne lastnosti teh novih heterostruktur za stvari, kot so učinkovita laserska tehnologija, svetleče diode in naprave za spravilo svetlobe, ki bodo upajmo, da bodo koristne za aplikacije čiste energije in informacijske tehnologije. veliko dela je treba storiti. "

menu
menu