Elektroninen silta kaksiulotteisissa

Puolijohderakenteiden kutistuessa yhä pienemmiksi kaksiulotteiset (2D) materiaalit ovat nousseet tutkijoiden kohteiksi transistoreiden ja optoelektroniikan sovelluksia ajatellen. Näiden materiaalien läpi kulkevan sähkön ja lämmön virtauksen hallinta on avainasemassa niiden toimivuuden kannalta, mutta ensin meidän on ymmärrettävä näiden käyttäytymisen yksityiskohdat atomien mittakaavassa.

Nyt tutkijat ovat havainneet, että elektroneilla on yllättävä rooli energian siirtymisessä 2D-puolijohdemateriaalien volframidiselenidin (WSe2) ja volframidisulfidin (WS2) kerrosten välillä. Vaikka kerrokset eivät ole tiukasti sidottu toisiinsa, elektronit muodostavat sillan niiden välillä, mikä helpottaa nopeaa lämmönsiirtoa.

Hienostuneilla tutkimuslaitteilla havaittiin, että WSe2-kerros lämpeni odotetusti, mutta tutkijoiden yllätykseksi myös WS2-kerros kuumeni samanaikaisesti, mikä viittaa nopeaan lämmön siirtymiseen kerrosten välillä. Sitä vastoin, kun ne eivät virittäneet elektroneja WSe2:ssa ja lämmittivät heterorakennetta käyttämällä sen sijaan metallikontaktikerrosta, WSe2:n ja WS2:n välinen rajapinta välitti lämpöä erittäin huonosti, mikä vahvisti aiemmat raportit.

"Oli erittäin yllättävää nähdä kahden kerroksen lämpenevän lähes samanaikaisesti valoherätteen jälkeen ja se motivoi meitä nollaamaan syvempään ymmärrykseen siitä, mitä oli meneillään", kertoo tutkimuksen vetäjä Berkeley Labin Archana Raja.

Laskelmien ja tietokonesimulaatioiden avulla tutkijat huomasivat, että elektroni halusi sirota hybriditilaan - eräänlaiseen "liimatilaan", jossa elektroni roikkuu molemmissa kerroksissa samanaikaisesti.

Tutkijoilla on mielestään nyt hyvä käsitys siitä, miltä nämä liimatilat näyttävät ja mitkä ovat niiden tunnusmerkit, ja siksi voimme sanoa suhteellisen varmasti, että muut 2D-puolijohteiset heterorakenteet käyttäytyvät samalla tavalla.

Laajamittainen molekyylidynamiikan simulaatiot vahvistivat, että yhteisen elektronin "liimatilan" puuttuessa lämmön siirtyminen kerroksesta toiseen kesti paljon kauemmin.

"Täällä olevat elektronit tekevät jotain tärkeää: ne toimivat siltoina lämmön haihduttamiseen", sanoo yksi kirjoittajista, Felipe de Jornada Stanfordin yliopistosta. "Jos voimme ymmärtää ja hallita sitä, se tarjoaa ainutlaatuisen lähestymistavan puolijohderakenteiden lämmönhallintaan."

Aiheesta aiemmin:

Elektroneja ja aukkoja yhdistellen

Kontakteja 2D-transistoreille