随着半导体器件变得更小,研究人员正在探索二维(2 d)在晶体管和光电材料潜在的应用。亚博网站下载控制流电和热的通过这些材料是其功能的关键,但是首先我们需要了解这些行为在原子尺度上的细节。亚博网站下载
现在,研究人员发现,电子在如何发挥惊人的作用之间能量转移层的二维半导体材料钨联硒化物(WSe2)和二硫化钨(WS2)。亚博网站下载虽然层不紧密结合,电子提供他们之间的一座桥梁,促进快速传热,研究人员发现。
“我们的工作表明,我们需要超越乐高积木的类比来理解堆栈不同的二维材料,即使层不强烈连着另一个,“亚博网站下载阿卡纳拉贾说,科学家在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室),他领导了这一研究。”看似不同的层,事实上,通过共享电子通信通道,允许我们访问和最终设计属性大于部分之和”。
这项研究最近在出现自然纳米技术并结合了超快的见解,量子温度测量和广泛的理论计算。
“这个实验是出于基本问题在纳米级连接原子运动,但发现在未来电子设备对能量耗散的影响,“co-first Aditya Sood说,这项研究的作者,目前斯坦福大学研究科学家。“我们好奇如何电子和原子振动夫妇当两种材料之间的热流动。亚博网站下载与原子精度缩放到接口,我们发现了一个令人惊讶的是这种耦合的有效机制。”
原子的超快的温度计精度
研究人员研究了设备组成的堆叠层WSe2和二硫化钨。设备被拉贾捏造的集团在伯克利实验室的分子铸造,完善的艺术使用透明胶带升空结晶层的半导体,每不到一个纳米的厚度。使用聚合物邮票土制叠加显微镜下排列,这些层都堆积在彼此顶部,精确地放置在一个微小的窗口,使电子的传输通过样本。
在实验能源部SLAC国家加速器实验室,研究小组使用一种技术称为超快电子衍射(发行)来衡量个人的温度层光激动人心的电子在WSe2层。发行作为一个电子相机,捕捉每一层内原子的位置。通过改变激发和探测脉冲之间的时间间隔10秒,他们能独立跟踪每一层的温度变化,通过理论模拟将观察到的原子运动转化为温度。
“这发行方法使一个直接测量温度的新方法在这个复杂的异质结构中,“亚伦Lindenberg说,斯坦福大学研究报告合著者。“这些层相距只有几埃,然而我们可以选择性地调查他们的反应,由于分辨率的时候,可以在基本调查时间尺度能量是如何以一种新的方式之间共享这些结构”。
他们发现WSe2层加热,正如所料,但令他们吃惊的是,二硫化钨层也同步升温,表明层之间的快速热量的传递。相比之下,当他们没有激发电子WSe2和加热使用金属接触层异质结构相反,WSe2之间的接口和二硫化钨传播热量非常差,确认先前的报道。
“这是非常令人惊讶的看到两层光致激发后几乎同时加热,它激励我们为零的更深的理解发生了什么,”拉贾说。
一个电子“胶水”创造了一座桥
理解他们的观察,研究小组采用理论计算,利用基于密度泛函理论方法模型原子和电子的行为在这些系统的支持下从激发态的计算研究中心能源材料(C2SEPEM)现象,DOE-funded计算材料科学中心在伯克利实验室。亚博网站下载亚博老虎机网登录
研究人员进行了广泛的计算电子结构的分层的2 d WSe2 /二硫化钨,以及层内的晶格振动行为。像松鼠穿越森林的树冠,谁能跑沿着路径定义为分支,偶尔跳,电子在材料仅限于特定的状态和转换(称为散射),和知识的电子结构提供了一个指南来解释实验结果。
“使用电脑模拟,我们探索了电子在一层最初想分散,由于晶格振动,”约拿哈伯说,co-first作者研究现在博士后在伯克利实验室材料科学部门。亚博网站下载亚博老虎机网登录“我们发现这想分散混合状态——一种胶状态的电子在哪里闲逛两层在同一时间。我们有一个好主意这些胶状态是什么样子,他们的签名,让我们自信地说,相对其他二维半导体异质结构行为一样。”
大规模的分子动力学模拟证实,在缺乏共享电子“胶状态”,热花了很长时间才从一层到另一个。这些模拟进行了主要国家能源研究科学计算中心(·)。
“电子所做的重要的事情:他们是作为桥梁来散热,”菲利普说de荒漠地带,作者从斯坦福大学。“如果我们能够理解和控制,它提供了一个独特的半导体器件的热管理方法。”
·东和分子铸造能源部科学办公室用户在伯克利实验室设施。亚博老虎机网登录
本研究经费主要由美国能源部科学办公室。亚博老虎机网登录
来源:https://www.lbl.gov/