Das Forschungsteam nutzt Exzitonen, um die Elektronik in die Zukunft zu bringen

Anonim

Excitons könnten die Art und Weise revolutionieren, wie Ingenieure an die Elektronik herangehen. Ein Team von EPFL-Forschern hat einen neuen Typ von Transistor - eine der Komponenten von Schaltkreisen - geschaffen, der Exzitonen anstelle von Elektronen verwendet. Bemerkenswerterweise funktioniert ihr exzitonenbasierter Transistor effektiv bei Raumtemperatur, ein bisher unüberwindbares Hindernis. Dies wurde erreicht, indem zwei 2-D-Materialien als Halbleiter verwendet wurden. Ihre Studie, die heute in Nature veröffentlicht wurde, hat zahlreiche Implikationen auf dem Gebiet der Excitonik, einem vielversprechenden neuen Forschungsgebiet neben Photonik und Spintronik.

"Unsere Forschung hat gezeigt, dass wir durch Manipulation von Exzitonen einen völlig neuen Zugang zur Elektronik gefunden haben", sagt Andras Kis, Leiter des EPFL-Labors für Nanoscale Electronics and Structures (LANES). "Wir erleben ein völlig neues Studienfeld, dessen Umfang wir noch nicht kennen."

Dieser Durchbruch schafft die Voraussetzung für optoelektronische Geräte, die weniger Energie verbrauchen und sowohl kleiner als auch schneller sind als aktuelle Geräte. Darüber hinaus wird es möglich sein, optische Übertragungs- und elektronische Datenverarbeitungssysteme in ein und dasselbe Gerät zu integrieren, wodurch die Anzahl der erforderlichen Operationen reduziert und die Systeme effizienter werden.

Höheres Energieniveau

Exzitonen sind eigentlich Quasiteilchen, ein Begriff, der die Wechselwirkung zwischen den Teilchen beschreibt, die eine bestimmte Substanz bilden, und nicht die Substanz selbst. Exzitonen bestehen aus einem Elektronen- und einem Elektronenloch. Die beiden sind miteinander verbunden, wenn das Elektron ein Photon absorbiert und ein höheres Energieniveau erreicht; Das "angeregte" Elektron hinterlässt ein Loch in der vorherigen Energieebene, das in der Bandtheorie als Valenzband bezeichnet wird. Dieses Loch, ebenfalls ein Quasiteilchen, ist ein Hinweis auf das fehlende Elektron in dieser Bande.

Da das Elektron negativ geladen ist und das Loch positiv geladen ist, bleiben die beiden Teilchen durch eine elektrostatische Kraft gebunden. Diese Bindung zwischen dem Elektron und dem Loch wird Coulomb-Anziehung genannt. Und in diesem Zustand von Spannung und Balance bilden sie eine Exziton. Wenn das Elektron schließlich in das Loch zurückfällt, emittiert es ein Photon. Und damit hört das Exziton auf zu existieren. Vereinfacht gesagt, tritt ein Photon an einem Ende des Kreises ein und kommt aus dem anderen heraus; Im Inneren entsteht ein Exziton, das wie ein Teilchen wirkt.

Doppelter Erfolg

Erst seit kurzem beschäftigen sich Forscher mit den Eigenschaften von Exzitonen im Zusammenhang mit elektronischen Schaltungen. Die Energie in Exzitonen wurde immer als zu zerbrechlich angesehen, und die Exzitonenlebensdauer war zu kurz, um in diesem Bereich von wirklichem Interesse zu sein. Darüber hinaus konnten Excitonen nur in extrem niedrigen Temperaturen (um -173 Grad C) in Schaltungen erzeugt und kontrolliert werden.

Der Durchbruch gelang, als die EPFL-Forscher entdeckten, wie man die Lebensdauer der Exzitonen steuert und wie man sie bewegt. Dazu verwendeten sie zwei 2-D-Materialien: Wolfram-Diselenid (WSe 2) und Molybdändisulfid (MoS 2 ). "Die Exzitonen in diesen Materialien zeigen eine besonders starke elektrostatische Bindung und vor allem werden sie bei Raumtemperatur nicht schnell zerstört", erklärt Kis.

Die Forscher konnten auch die Lebensdauer der Exzitonen signifikant verlängern, indem sie ausnutzten, dass die Elektronen immer ihren Weg zum MoS 2 fanden, während die Löcher immer im WSe 2 lagen. Die Forscher hielten die Exzitonen noch länger, indem sie die Halbleiterschichten mit Bornitrid (BN) schützten.

"Wir haben eine spezielle Art von Exzitonen geschaffen, bei denen die beiden Seiten weiter auseinander liegen als bei herkömmlichen Teilchen", sagt Kis. "Dies verzögert den Prozess, bei dem das Elektron zu dem Loch zurückkehrt und Licht erzeugt wird. Es ist an diesem Punkt, wenn die Exzitonen für etwas länger in Dipolform bleiben, dass sie unter Verwendung eines elektrischen Feldes kontrolliert und bewegt werden können."

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