Gekoppelde elektronen en fononen kunnen stromen als water in 2D halfgeleiders

Een aandoening die al lang als ongunstig wordt beschouwd voor elektrische geleiding van halfgeleidersmaterialen, kan volgens nieuwe bevindingen van UC Santa Barbara -onderzoekers eigenlijk gunstig zijn bij 2D -halfgeleiders, volgens nieuwe bevindingen gepubliceerd in het dagboek Fysieke beoordelingsbrieven.

Elektronen-fonon-interacties-Collisions tussen lading-dragende elektronen en warmtevoorschriften in het atomaire rooster van het materiaal-worden beschouwd als de primaire oorzaak van elektronen die vertragen als ze door halfgeleidermateriaal reizen. Maar volgens UCSB -mechanische ingenieurs Bolin Liao en Yujie Quan, wanneer elektronen en fononen worden beschouwd als een enkel systeem, blijken deze interacties in atomisch dun materiaal daadwerkelijk totale momentum en energie te behouden, en kunnen belangrijke implicaties hebben voor 2D halfgeleiderontwerp.

“Dit staat in schril contrast met driedimensionale systemen waar je veel momentumverliesprocessen hebt,” zei Liao, die gespecialiseerd is in thermische en energiewetenschap.

Diffusie en hydrodynamische stroom

Er zijn twee hoofdtypen energietransport die ten grondslag liggen aan het concept van de onderzoekers: hydrodynamische stroom, een collectief kinetisch proces waarbij de individuele componenten van een vloeistof samen in een algemene richting bewegen, zoals waterstroom in een pijp; en diffusie, waarin deeltjes willekeurige wandelingen ondergaan aangedreven door een gradiënt van concentratie of temperatuur, zoals rook. Typisch wordt de warmtegeleiding van vaste stoffen opgevat als een diffusieproces.

“Dit zijn twee zeer verschillende fysieke processen,” zei Liao. In het geval van hydrodynamische stroom, die efficiënter is in het transport van energie dan diffusie, wordt het totale momentum van deeltjes geconserveerd tijdens hun botsingsprocessen. Hoewel ze met elkaar kunnen botsen, wisselen ze hun momentum uit en blijven ze samen bewegen.

“Maar als we denken aan warmtegeleiding van materiaal, wordt dit niet gedragen door ‘echte’ deeltjes,” ging Liao verder. In plaats daarvan zijn fononen, die we kunnen beschouwen als ‘warmtedeeltjes’, het resultaat van collectieve trillingen van de atomen van het materiaal, en ze hebben de neiging om te diffunderen, met microscopische botsingen die geen momentum behouden – een minder efficiënt proces voor het transport van energie.

Het zijn de interacties tussen fononen en elektronen die ervoor zorgen dat elektronen vertragen, of hun momentum om te ontspannen. Het is de reden waarom de elektrische weerstand van geleiders bij een lagere temperatuur afneemt – het gebrek aan thermische energie vermindert de weerstand die elektronen in het materiaal zouden tegenkomen.

Volgens Liao en Quan is de fysica echter anders in tweedimensionaal materiaal. “Ze hebben een aantal ongebruikelijke eigenschappen,” zei Liao over atomisch dunne halfgeleiders. “Bijvoorbeeld, in deze materialen, zoals grafeen, wanneer de phonons zich met elkaar verspreiden, is het bekend dat hun momentum grotendeels wordt behouden. Dit is te wijten aan de verschillende dimensionaliteit die enkele beperkingen oplegt aan hoe ze met elkaar kunnen omgaan.”

In hun simulaties van 2D-halfgeleiders met sterke elektronen-fonon-interacties ontdekten de onderzoekers dat bij het behandelen van zowel de lading- als de warmtedragers als onderdeel van hetzelfde systeem, de interacties tussen elektronen en fononen resulteerden in een collectief hydrodynamisch stromingsgedrag.

“Ze beginnen samen te bewegen als moleculen in een vloeistofstroom,” zei Liao. “Ze drijven samen met dezelfde snelheid, zoals vloeistof die door een pijp stroomt.” Dit proces, zogenaamde “gekoppelde elektron-phonon hydrodynamica”, weerspiegelt hoe dit gecombineerde systeem stroomt als een klassieke vloeistof. In dit proces, zei Liao, kan vloeistofstroom, warmtediffusie en zelfs elektrische geleiding “erg op elkaar worden”.

“We kunnen laten zien dat als u rekening houdt met dit hydrodynamische gedrag, het ladingstransport op tweedimensionaal materiaal zeer efficiënt kan zijn,” legde hij uit, “veel efficiënter dan mensen zouden verwachten van alleen kijken hoe vaak ze botsen met de hittevoerders.”

Deze bevindingen hebben belangrijke implicaties voor 2D halfgeleiderontwerp en het potentieel voor het bereiken van een zeer efficiënte elektrische geleidbaarheid, zelfs bij kamertemperatuur. Hoewel een manier om een ​​dergelijke efficiëntie aan te moedigen zou zijn om de temperaturen te verlagen om botsingen te verminderen, zei Liao: “Ons nieuwe idee hier is in plaats van te proberen te verminderen hoe vaak ze botsen, kunnen we het materiaal gewoon ontwikkelen om ervoor te zorgen dat de meeste botsingsprocessen momentum-conserverend zijn.”

Hoewel ladingsdragers nog steeds wat momentum konden verliezen als gevolg van botsingen met warmtedeeltjes, zal het totale momentumbehoud van het systeem uiteindelijk leiden tot lage dissipatie en zeer efficiënt transport.

In hun artikel bewijzen de onderzoekers hun concept met een onderzoek naar atomisch-dunne molybdeen disulfide (MOS₂), het vinden van die ladingsmobiliteit kan bijna zeven keer worden verbeterd wanneer rekening wordt gehouden met hydrodynamisch gedrag.

“Dat is een zeer belangrijke verbetering,” zei Liao. Naast het bieden van een praktischer alternatief voor ultralage temperatuur supergeleidingstemperatuur, kan in plaats daarvan worden gericht op het vermogen van het materiaal om hydrodynamisch elektronen-phonongedrag te hosten “veelbelovend zijn voor micro-elektronische toepassingen.”