研究發(fā)現(xiàn)電子橋允許半導(dǎo)體之間快速共享能量
藝術(shù)描繪了由超短激光脈沖驅(qū)動(dòng)的電子轉(zhuǎn)移，穿過(guò)兩種原子薄材料之間的界面。這種轉(zhuǎn)移是由層間“橋”狀態(tài)促進(jìn)的，由于兩種材料中的晶格振動(dòng)，電子能夠進(jìn)入該狀態(tài)
（圖片來(lái)源: Gregory M. Stewart/SLAC.）
研究人員發(fā)現(xiàn)，電子在半導(dǎo)體層之間的傳熱中起著令人驚訝的作用，這對(duì)下一代電子設(shè)備具有重要意義。
隨著半導(dǎo)體器件變得越來(lái)越小，研究人員正在探索二維（2D）材料在晶體管和光電子學(xué)中的潛在應(yīng)用?？刂仆ㄟ^(guò)這些材料的電和熱的流動(dòng)是它們功能的關(guān)鍵，但首先我們需要了解原子尺度上這些行為的細(xì)節(jié)。
現(xiàn)在，研究人員發(fā)現(xiàn)，電子在2D半導(dǎo)體材料二硒化鎢（WSe 2）和二硫化鎢（WS2）層之間的能量轉(zhuǎn)移中起著令人驚訝的作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，雖然這些層彼此之間沒(méi)有緊密結(jié)合，但電子在它們之間提供了一個(gè)橋梁，促進(jìn)了快速的傳熱。
“我們的工作表明，我們需要超越樂(lè)高積木的類(lèi)比來(lái)理解不同2D材料的堆棧，即使這些層彼此之間沒(méi)有牢固地結(jié)合在一起，”美國(guó)能源部（DOE）勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（伯克利實(shí)驗(yàn)室）的科學(xué)家Archana Raja說(shuō)?！笆聦?shí)上，看似不同的層通過(guò)共享的電子路徑進(jìn)行通信，使我們能夠訪問(wèn)并最終設(shè)計(jì)出大于零件總和的屬性。
研究人員在《》的一篇論文中報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)結(jié)合了超快，原子級(jí)溫度測(cè)量和廣泛的理論計(jì)算的見(jiàn)解。
“這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)機(jī)是關(guān)于納米級(jí)結(jié)中原子運(yùn)動(dòng)的基本問(wèn)題，但這些發(fā)現(xiàn)對(duì)未來(lái)電子設(shè)備的能量耗散有影響，”該論文的共同第一作者，目前是斯坦福大學(xué)的研究科學(xué)家Aditya Sood說(shuō)?！拔覀兒芎闷娈?dāng)熱量在兩種材料之間流動(dòng)時(shí)，電子和原子振動(dòng)是如何相互耦合的。通過(guò)以原子精度放大界面，我們發(fā)現(xiàn)了一種令人驚訝的有效機(jī)制。
研究人員研究了由WSe 2和WS2的堆疊單層組成的設(shè)備。這些設(shè)備是由伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠的Raja小組制造的，他們完善了使用透明膠帶去除半導(dǎo)體的晶體單層的藝術(shù)，每個(gè)半導(dǎo)體的厚度小于1nm。使用在自制堆疊顯微鏡下對(duì)齊的聚合物印章，這些層彼此沉積并精確放置在微觀窗口上，以允許電子通過(guò)堆疊傳輸。
在美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)使用了一種稱(chēng)為超快電子衍射（UED）的技術(shù)來(lái)測(cè)量堆棧中各個(gè)層的溫度，同時(shí)光學(xué)激發(fā)WSe 2層中的電子。UED充當(dāng)“電子相機(jī)”，捕獲每層內(nèi)的原子位置。通過(guò)將激發(fā)和探測(cè)脈沖之間的時(shí)間間隔改變?nèi)f億分之一秒，研究人員可以獨(dú)立跟蹤每層的溫度變化，使用理論模擬將觀察到的原子運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為溫度。
“這種UED方法提供了一種直接測(cè)量這種復(fù)雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度的新方法，”斯坦福大學(xué)該論文的合著者Aaron Lindenberg說(shuō)?！斑@些層相距只有幾埃，但我們可以有選擇地探測(cè)它們的響應(yīng)，并且由于時(shí)間分辨率，我們可以在基本時(shí)間尺度上探測(cè)這些結(jié)構(gòu)之間如何以新的方式共享能量。
他們發(fā)現(xiàn)，正如預(yù)期的那樣，激發(fā)的WSe 2層升溫了。但令他們驚訝的是，WS2層也同時(shí)升溫，表明各層之間的熱量快速傳遞。相比之下，當(dāng)它們沒(méi)有激發(fā)WSe 2中的電子，而是使用金屬接觸層加熱異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，WSe 2和WS2之間的界面?zhèn)鬟f熱量非常差，證實(shí)了以前的報(bào)道。
“看到兩層在光激發(fā)后幾乎同時(shí)升溫是非常令人驚訝的，這促使我們對(duì)正在發(fā)生的事情有更深入的了解，”Raja說(shuō)。
為了理解他們的觀察結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)采用了理論計(jì)算，使用基于密度泛函理論的方法來(lái)模擬原子和電子在這些系統(tǒng)中的行為。對(duì)于這項(xiàng)工作，他們得到了能源材料中激發(fā)態(tài)現(xiàn)象計(jì)算研究中心（C2SEPEM）的支持，該中心是美國(guó)能源部資助的伯克利實(shí)驗(yàn)室計(jì)算材料科學(xué)中心。
研究人員對(duì)分層2D WSe 2 / WS2的電子結(jié)構(gòu)以及層內(nèi)晶格振動(dòng)的行為進(jìn)行了廣泛的計(jì)算。就像松鼠沿著樹(shù)枝定義的路徑奔跑并偶爾在它們之間跳躍來(lái)穿越森林樹(shù)冠一樣，材料中的電子僅限于特定的狀態(tài)和過(guò)渡（稱(chēng)為散射）。了解這種電子結(jié)構(gòu)可以為解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供指導(dǎo)。
“使用計(jì)算機(jī)模擬，我們探索了由于晶格振動(dòng)，一層中的電子最初想要散射到哪里，”該論文的共同第一作者，現(xiàn)在是伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的博士后研究員Jonah Haber說(shuō)。 “我們發(fā)現(xiàn)它想要散射到這種混合狀態(tài) - 一種'膠水狀態(tài)'，電子同時(shí)在兩層中懸掛。我們對(duì)這些膠水狀態(tài)現(xiàn)在的樣子以及它們的特征有一個(gè)很好的了解，這讓我們相對(duì)自信地說(shuō)，其他2D半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的行為方式相同。
大規(guī)模的分子動(dòng)力學(xué)模擬證實(shí)，在沒(méi)有共享電子“膠狀態(tài)”的情況下，熱量從一層移動(dòng)到另一層需要更長(zhǎng)的時(shí)間。這些模擬主要在國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心（NERSC）進(jìn)行。
“這里的電子正在做一些重要的事情：它們正在充當(dāng)散熱的橋梁，”斯坦福大學(xué)的合著者Felipe de Jornada說(shuō)。如果我們能夠理解和控制這一點(diǎn)，它就為半導(dǎo)體器件的熱管理提供了一種獨(dú)特的方法。
（文章來(lái)源：《勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室》 《今日材料》 ）
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