Kako poluprovodnički uređaji postaju sve manji, istraživači istražuju dvodimenzionalne (2D) materijale za potencijalne primene u tranzistorima i optoelektronici. Kontrolisanje protoka električne energije i toplote kroz ove materijale je ključno za njihovu funkcionalnost, ali prvo moramo da razumemo detalje tog ponašanja na atomskim razmerama.
Sada su istraživači otkrili da elektroni igraju iznenađujuću ulogu u tome kako se energija prenosi između slojeva 2D poluprovodničkih materijala volfram diselenida (VSe 2 ) i volfram disulfida (VS 2 ). Iako slojevi nisu čvrsto povezani jedan sa drugim, elektroni obezbeđuju most između njih koji olakšava brz prenos toplote, otkrili su istraživači.
„Naš rad pokazuje da moramo da idemo dalje od analogije Lego blokova da bismo razumeli hrpe različitih 2D materijala, iako slojevi nisu čvrsto povezani jedni sa drugima“, rekla je Arčana Raja, naučnica iz Odeljenja za energetiku Lorensa Berklija. Nacionalna laboratorija (Berkelei Lab), koji je vodio studiju. „Naizgled različiti slojevi, u stvari, komuniciraju putem zajedničkih elektronskih puteva, omogućavajući nam da pristupimo i na kraju dizajniramo svojstva koja su veća od zbira delova.“
Studija se nedavno pojavila u Nature Nanotechnologi i kombinuje uvide iz ultrabrzih merenja temperature na atomskoj skali i opsežnih teorijskih proračuna.
„Ovaj eksperiment je bio motivisan fundamentalnim pitanjima o kretanju atoma u spojevima nanorazmera, ali nalazi imaju implikacije na disipaciju energije u futurističkim elektronskim uređajima“, rekao je Aditia Sood, koautor studije i trenutno naučnik na Univerzitetu Stanford. „Bili smo radoznali kako se elektroni i atomske vibracije spajaju jedni sa drugima kada toplota teče između dva materijala. Zumiranjem interfejsa sa atomskom preciznošću, otkrili smo iznenađujuće efikasan mehanizam za ovo spajanje.“
Istraživači su proučavali uređaje koji se sastoje od naslaganih monoslojeva VSe 2 i VS 2 . Uređaje je proizvela Radžina grupa u Laboratorijskoj livnici molekula Berkli, koja je usavršila veštinu korišćenja škotske trake za skidanje kristalnih monoslojeva poluprovodnika, svaki manji od nanometra debljine. Koristeći polimerne pečate poravnate pod kućnim mikroskopom za slaganje, ovi slojevi su postavljeni jedan na drugi i precizno postavljeni preko mikroskopskog prozora kako bi se omogućio prenos elektrona kroz uzorak.
U eksperimentima sprovedenim u Nacionalnoj akceleratorskoj laboratoriji SLAC Ministarstva energetike, tim je koristio tehniku poznatu kao ultrabrza elektronska difrakcija (UED) za merenje temperature pojedinačnih slojeva dok je optički uzbudljiv elektrone samo u VSe 2 sloju. UED je služio kao „elektronska kamera“, snimajući pozicije atoma unutar svakog sloja. Promenom vremenskog intervala između impulsa pobude i sondiranja za trilioni deo sekunde, mogli su da prate promenu temperature svakog sloja nezavisno, koristeći teorijske simulacije za pretvaranje posmatranih atomskih kretanja u temperature.
„Ovo što ovaj UED pristup omogućava je novi način direktnog merenja temperature unutar ove složene heterostrukture“, rekao je Aaron Lindenberg, koautor studije na Univerzitetu Stanford. „Ovi slojevi su udaljeni samo nekoliko angstrema, a ipak možemo selektivno ispitati njihov odgovor i, kao rezultat vremenske rezolucije, možemo ispitati na osnovnim vremenskim skalama kako se energija deli između ovih struktura na novi način.“
Otkrili su da se sloj VSe 2 zagrevao, kao što se očekivalo, ali na njihovo iznenađenje, VS 2 sloj se takođe zagrevao u tandemu, što ukazuje na brz prenos toplote između slojeva. Nasuprot tome, kada nisu pobuđivali elektrone u VSe 2 i zagrevali heterostrukturu koristeći metalni kontaktni sloj umesto toga, interfejs između VSe 2 i VS 2 je veoma slabo prenosio toplotu, potvrđujući prethodne izveštaje.
„Bilo je veoma iznenađujuće videti kako se dva sloja zagrevaju skoro istovremeno nakon fotoekscitacije i to nas je motivisalo da se usredsredimo na dublje razumevanje onoga što se dešava“, rekao je Raja.
Da bi razumeo njihova zapažanja, tim je koristio teorijske proračune, koristeći metode zasnovane na teoriji funkcionalne gustine da bi modelirao kako se atomi i elektroni ponašaju u ovim sistemima uz podršku Centra za računarske studije fenomena pobuđenog stanja u energetskim materijalima (C2SEPEM), DOE -finansirao Centar za nauku o računarskim materijalima u laboratoriji Berkli.
Istraživači su sproveli opsežna proračuna elektronske strukture slojevitog 2D VSe 2 /VS 2 , kao i ponašanja vibracija rešetke unutar slojeva. Poput veverica koje prelaze krošnje šume, koje mogu da trče stazama definisanim granama i povremeno skaču između njih, elektroni u materijalu su ograničeni na određena stanja i prelaze (poznate kao rasejanje), a poznavanje te elektronske strukture pruža vodič za tumačenje eksperimentalni rezultati.
„Koristeći kompjuterske simulacije, istražili smo gde je elektron u jednom sloju prvobitno želeo da se rasprši, zbog vibracija rešetke“, rekao je Jonah Haber, koautor studije, a sada postdoktorski istraživač u Odeljenju za nauke o materijalima u laboratoriji Berkli. „Otkrili smo da želi da se rasprši u ovo hibridno stanje—neku vrstu ‘stanja lepka’ gde elektron visi u oba sloja u isto vreme. Imamo dobru predstavu o tome kako ova stanja lepka sada izgledaju i kakva su njihova signature su i to nam omogućava da relativno pouzdano kažemo da će se i druge, 2D poluprovodničke heterostrukture ponašati na isti način.“
Simulacije molekularne dinamike velikih razmera potvrdile su da je, u odsustvu zajedničkog elektronskog „stanja lepka“, toploti bilo potrebno mnogo duže da pređe sa jednog sloja na drugi. Ove simulacije su sprovedene prvenstveno u Nacionalnom istraživačkom računarskom centru za energetiku (NERSC).
„Elektroni ovde rade nešto važno: oni služe kao mostovi za rasipanje toplote“, rekao je Felipe de Jornada, koautor sa Univerziteta Stanford. „Ako to možemo da razumemo i kontrolišemo, to nudi jedinstven pristup termičkom upravljanju u poluprovodničkim uređajima.“
