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首次实现:电子门控效应的电子结构可视化!测量电子的能量和运动

2019-09-02 14:38:26 物理学 电子

原标题:首次实现:电子门控效应的电子结构可视化!测量电子的能量和运动

科学家首次将微电子设备的电子结构可视化,为微调高性能电子设备打开了大门。华威大学(University of Warwick)和华盛顿大学(University of Washington)物理学家开发了一种技术,可以在操作由原子厚度,所谓二维材料制成的微电子设备时测量电子能量和动量。利用这些信息,可以创建材料的电学和光学特性可视化表示,以指导工程师最大化在电子元件中的潜力。这项由实验主导的研究发表在《自然》上,还可能为二维半导体铺平道路。

这种半导体很可能在下一代电子产品中发挥作用,应用于光电、移动设备和量子计算机等领域。材料电子结构描述了电子在该材料内的行为,从而描述了流经该材料的电流性质。这种行为可能会随着施加在材料上的电压而变化,即电子上的“压力”大小,因此随着电压的变化,电子结构变化决定了微电子电路的效率。操作设备中电子结构的这些变化是所有现代电子产品的基础。然而,到目前为止,还没有办法直接看到这些变化来帮助我们理解它们如何影响电子的行为。

通过应用这项技术,科学家们将获得开发“微调”电子元件所需的信息,这些元件工作效率更高,运行效率更高,能耗更低。还将有助于开发二维半导体,这些半导体被视为下一代电子产品的潜在组件,在柔性电子、光电和自旋电子学中得到应用。与今天的三维半导体不同,二维半导体只由几层原子组成。华威大学物理系的尼尔·威尔逊博士说:电子结构如何随着电压的变化而变化,这决定了电脑或电视中的晶体管如何工作。

现在第一次直接看到了这些变化,无法看到这种变化如何与电压是一个很大的缺失环节。这项研究是基础性的,在理解材料及其背后的科学方面迈出了一大步。对这种材料的新发现帮助人们理解这些半导体的带隙,这是影响它们行为的最重要参数,从它们发出光的波长,到它们在晶体管中如何开关电流。该技术使用角度分辨光发射光谱(ARPES)来“激发”选定材料中的电子。通过将一束紫外线或x射线聚焦在一个特定区域的原子上,激发的电子就会从原子中被击出。

科学家可以测量电子的能量和运动方向,从而计算出它们在材料中所具有的能量和动量。这就决定了这种材料的电子结构,然后可以将其与理论预测进行比较,理论预测是基于最先进的电子结构计算,在本例中由论文合著者Nicholas Hine博士的研究小组进行。在将石墨烯应用于二维过渡金属双卤代烷(TMD)半导体之前,该团队首先使用石墨烯对该技术进行了测试。这些测量数据是在意大利埃利特拉同步加速器的光谱显微镜下进行,由阿列克谢巴里诺夫博士和团队合作完成。

华盛顿大学物理系教授大卫·科布登博士说:过去,了解半导体器件中电子活动的唯一方法是将其电流电压特性与复杂模型进行比较。现在,由于新的进步,使得ARPES技术可以应用到微小点上,再加上二维材料的出现,使得电子作用可以直接在表面进行,可以直接测量电子光谱的细节,并看它是如何实时变化的,这改变了游戏规则。这种强大的光谱学技术将为研究基本现象提供新机会,比如电可调谐拓扑相变的可视化以及相关电子相的掺杂效应,这些都是具有挑战性的。

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