Elektronien ja fononien ennustetaan virtaavan kuin vesi 2D-puolijohteissa

UC Santa Barbaran tutkijoiden julkaisemien uusien havaintojen mukaan olosuhde, jota on pitkään pidetty epäsuotuisana puolijohdemateriaalien sähkönjohtavuudelle, voi itse asiassa olla hyödyllinen 2D-puolijohteissa.

Elektroni-fononi -vuorovaikutukset – varausta kantavien elektronien ja lämpöä kantavien värähtelyjen väliset törmäykset materiaalin atomihilassa – katsotaan ensisijaiseksi syyksi elektronien hidastumiseen niiden kulkiessa puolijohdemateriaalin läpi.

Mutta UCSB:n koneinsinöörien Bolin Liaon ja Yujie Quanin mukaan, kun elektroneja ja fononeja tarkastellaan yhteisenä järjestelmänä, nämä vuorovaikutukset atomitason ohuessa materiaalissa osoittautuvat itse asiassa säilyttävän kokonaisliikemäärää ja energiaa, ja niillä voi olla tärkeitä vaikutuksia 2D-puolijohdesuunnitteluun.

"Tämä on jyrkässä ristiriidassa kolmiulotteisten järjestelmien kanssa, joissa on paljon liikemäärän menetyksen prosesseja", sanoi lämpö- ja energiatieteeseen erikoistunut Liao.

Tutkijoiden konseptin taustalla on kaksi päätyyppiä energian siirtymistä: hydrodynaaminen virtaus, kollektiivinen kineettinen prosessi, jossa nesteen yksittäiset komponentit liikkuvat yhdessä yleiseen suuntaan, kuten veden virtaus putkessa, ja diffuusio, jossa hiukkaset tekevät satunnaisia vaelluksia pitoisuus- tai lämpötilagradientin ohjaamina, kuten savu. Tyypillisesti lämmönjohtavuus kiinteissä aineissa ymmärretään diffuusioprosessina.

”Nämä ovat kaksi hyvin erilaista fysikaalista prosessia”, Liao sanoi. Hydrodynaamisessa virtauksessa, joka on energian kuljettamisessa tehokkaampaa kuin diffuusio, hiukkasten kokonaisliikemäärä säilyy törmäysprosessien aikana. Vaikka ne voivat törmätä toisiinsa, ne vaihtavat liikemääräänsä ja jatkavat liikkumistaan yhdessä.

”Mutta kun ajattelemme lämmönjohtavuutta materiaalissa, sitä eivät kanna ’oikeat’ hiukkaset”, Liao jatkoi. Sen sijaan fononit, joita voimme ajatella ”lämpöhiukkasina”, ovat materiaalin atomien kollektiivisten värähtelyjen tulosta, ja ne pyrkivät hajaantumaan mikroskooppisilla törmäyksillä, jotka eivät säilytä liikemäärää – vähemmän tehokas prosessi energian kuljettamiseen.

Fononien ja elektronien väliset vuorovaikutukset saavat elektronit hidastumaan tai niiden liikemäärän relaksoitumaan. Se on syy siihen, miksi johtimien sähköinen resistanssi pienenee alemmassa lämpötilassa – lämpöenergian puute vähentää elektronien materiaalissa kohtaamaa vastusta.

Fysiikka on erilaista kahdessa ulottuvuudessa

Liaon ja Quanin mukaan fysiikka on kuitenkin erilaista kahdessa ulottuvuudessa. ”Niillä on joitakin epätavallisia ominaisuuksia”, Liao kommentoi atomaarisen ohuita puolijohteita. ”Esimerkiksi grafeenissa, kun fononit sirottuvat toistensa kanssa, tiedetään, että niiden liikemäärä säilyy suurelta osin. Tämä johtuu erilaisesta ulottuvuudesta, joka asettaa joitakin rajoituksia sille, miten ne voivat vuorovaikuttaa keskenään.”

Simulaatioissaan, joissa käytettiin voimakkaita elektroni-fononi-vuorovaikutuksia 2D-puolijohteissa, tutkijat havaitsivat, että kun sekä varauksen että lämmönkuljettajien katsottiin olevan osa samaa järjestelmää, elektronien ja fononien väliset vuorovaikutukset johtivat kollektiiviseen hydrodynaamiseen virtauskäyttäytymiseen.

”Ne alkavat liikkua yhdessä kuin molekyylit nestevirtauksessa”, Liao sanoi. ”Ne ajautuvat yhteen samalla nopeudella, aivan kuin neste virtaa putkessa.” Tämä prosessi, niin sanottu ”kytketty elektroni-fononihydrodynamiikka”, heijastaa sitä, miten tämä yhdistetty systeemi virtaa kuin klassinen neste. Tässä prosessissa, Liao sanoi, nestevirtaus, lämmöndiffuusio ja jopa sähkönjohtavuus ”voivat muuttua hyvin samankaltaisiksi”.

"Voimme osoittaa, että jos otat huomioon tämän hydrodynaamisen käyttäytymisen, varauksen siirtyminen kaksiulotteisessa materiaalissa voi olla erittäin tehokasta", hän selitti, "paljon tehokkaampaa kuin ihmiset odottaisivat pelkästään katsomalla, kuinka usein ne törmäävät lämmönsiirtokantajien kanssa."

Näillä löydöksillä on tärkeitä vaikutuksia 2D-puolijohdesuunnitteluun ja potentiaaliin saavuttaa erittäin tehokas sähkönjohtavuus jopa huoneenlämmössä.

Tutkijat todistavat artikkelissaan konseptinsa tutkimalla molybdeenidisulfidia (MoS2) ja havaitsivat, että varauksen liikkuvuutta voidaan parantaa lähes seitsemänkertaisesti, kun otetaan huomioon hydrodynaaminen käyttäytyminen.

Aiheesta aiemmin:

Elektronin ja fononin vuorovaikutuksen mysteeri

Räjähtävää sähkövoimaa