Elektronische brug maakt snelle energiedeling tussen halfgeleiders mogelijk

Naarmate halfgeleiderapparaten steeds kleiner worden, onderzoeken onderzoekers tweedimensionale (2D) materialen voor mogelijke toepassingen in transistors en opto-elektronica. Het beheersen van de stroom van elektriciteit en warmte door deze materialen is de sleutel tot hun functionaliteit, maar eerst moeten we de details van dat gedrag op atomaire schaal begrijpen.

Nu hebben onderzoekers ontdekt dat elektronen een verrassende rol spelen in de manier waarop energie wordt overgedragen tussen lagen van 2D-halfgeleidermaterialen wolfraamdiselenide (WSe₂) en wolfraamdisulfide (WS₂). Hoewel de lagen niet stevig aan elkaar zijn gehecht, vormen elektronen een brug ertussen die een snelle warmteoverdracht mogelijk maakt, ontdekten de onderzoekers.

“Ons werk laat zien dat we verder moeten gaan dan de analogie van legoblokken om stapels ongelijksoortige 2D-materialen te begrijpen, ook al zijn de lagen niet sterk aan elkaar gehecht.” zei Archana Raja, een wetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), die de studie leidde. “De ogenschijnlijk verschillende lagen communiceren in feite via gedeelde elektronische paden, waardoor we toegang hebben tot en uiteindelijk eigenschappen kunnen ontwerpen die groter zijn dan de som der delen.”

De studie verscheen onlangs in Natuur Nanotechnologie en combineert inzichten uit ultrasnelle temperatuurmetingen op atomaire schaal en uitgebreide theoretische berekeningen.

“Dit experiment werd ingegeven door fundamentele vragen over atomaire bewegingen in kruispunten op nanoschaal, maar de bevindingen hebben implicaties voor energiedissipatie in futuristische elektronische apparaten,” zei Aditya Sood, mede-eerste auteur van de studie en momenteel een onderzoekswetenschapper aan de Stanford University. “We waren benieuwd hoe elektronen en atoomtrillingen aan elkaar koppelen wanneer warmte tussen twee materialen stroomt. Door met atomaire precisie in te zoomen op de interface, ontdekten we een verrassend efficiënt mechanisme voor deze koppeling.”

Een ultrasnelle thermometer met atomaire precisie

De onderzoekers bestudeerden apparaten die bestonden uit gestapelde monolagen van WSe₂ en WS₂. De apparaten werden vervaardigd door Raja’s groep bij Berkeley Lab’s Molecular Foundry, die de kunst perfectioneerde om plakband te gebruiken om kristallijne monolagen van de halfgeleiders op te tillen, elk minder dan een nanometer dik. Met behulp van polymeerstempels uitgelijnd onder een zelfgebouwde stapelmicroscoop, werden deze lagen op elkaar afgezet en precies over een microscopisch venster geplaatst om de transmissie van elektronen door het monster mogelijk te maken.

In experimenten die werden uitgevoerd in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, gebruikte het team een ​​techniek die bekend staat als ultrasnelle elektronendiffractie (UED) om de temperaturen van de afzonderlijke lagen te meten, terwijl elektronen in alleen de WSe optisch worden geëxciteerd.₂laag. De UED diende als een “elektronen camera,” het vastleggen van de atoomposities binnen elke laag. Door het tijdsinterval tussen de excitatie- en sondepulsen met triljoensten van een seconde te variëren, konden ze de veranderende temperatuur van elke laag onafhankelijk volgen, met behulp van theoretische simulaties om de waargenomen atomaire bewegingen om te zetten in temperaturen.

“Wat deze UED-benadering mogelijk maakt, is een nieuwe manier om de temperatuur direct te meten binnen deze complexe heterostructuur,” zei Aaron Lindenberg, een co-auteur van de studie aan de Stanford University. “Deze lagen zijn slechts een paar angström van elkaar verwijderd, en toch kunnen we selectief hun reactie onderzoeken en, als resultaat van de tijdsresolutie, op fundamentele tijdschalen onderzoeken hoe energie op een nieuwe manier tussen deze structuren wordt verdeeld.”

Ze ontdekten dat de WSe₂ laag opgewarmd, zoals verwacht, maar tot hun verbazing, de WS₂ laag ook gelijktijdig opgewarmd, wat duidt op een snelle overdracht van warmte tussen lagen. Daarentegen, toen ze geen elektronen opwekten in de WSe₂ en verwarmde de heterostructuur met behulp van een metalen contactlaag in plaats daarvan, de interface tussen WSe₂ en WS₂ warmteoverdracht zeer slecht, wat eerdere rapporten bevestigt.

“Het was heel verrassend om te zien dat de twee lagen bijna gelijktijdig opwarmden na foto-excitatie en het motiveerde ons om dieper in te gaan op wat er aan de hand was,” zei Raja.

Een elektronische ‘glue state’ creëert een brug

Om hun waarnemingen te begrijpen, gebruikte het team theoretische berekeningen, met behulp van methoden gebaseerd op dichtheidsfunctionaaltheorie om te modelleren hoe atomen en elektronen zich in deze systemen gedragen met ondersteuning van het Center for Computational Study of Excited-State Phenomena in Energy Materials (C2SEPEM), een DOE -gefinancierd Computational Materials Science Center in Berkeley Lab.

De onderzoekers voerden uitgebreide berekeningen uit van de elektronische structuur van gelaagde 2D WSe₂/WS₂, evenals het gedrag van roostertrillingen binnen de lagen. Net als eekhoorns die een bladerdak doorkruisen, die langs paden kunnen rennen die worden gedefinieerd door takken en er af en toe tussen kunnen springen, zijn elektronen in een materiaal beperkt tot specifieke toestanden en overgangen (bekend als verstrooiing), en kennis van die elektronische structuur biedt een leidraad voor het interpreteren van de experimentele resultaten.

“Met behulp van computersimulaties hebben we onderzocht waar het elektron in één laag zich in eerste instantie naartoe wilde verspreiden vanwege roostertrillingen.” zei Jonah Haber, co-eerste auteur van de studie en nu een postdoctoraal onderzoeker in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab. “We ontdekten dat het zich wilde verstrooien naar deze hybride toestand – een soort ‘lijmtoestand’ waarbij het elektron in beide lagen tegelijkertijd hangt. We hebben een goed idee van hoe deze lijmtoestanden er nu uitzien en wat hun kenmerken zijn, en dat stelt ons relatief zeker dat andere 2D-halfgeleiderheterostructuren zich op dezelfde manier zullen gedragen.”

Grootschalige moleculaire dynamische simulaties bevestigden dat, bij afwezigheid van het gedeelde elektron “lijm staat,” warmte deed er veel langer over om van de ene laag naar de andere te gaan. Deze simulaties werden voornamelijk uitgevoerd in het National Energy Research Scientific Computing Centre (NERSC).

“De elektronen hier doen iets belangrijks: ze dienen als bruggen voor warmteafvoer,” zei Felipe de Jornada, een co-auteur van Stanford University. “Als we dat kunnen begrijpen en beheersen, biedt het een unieke benadering van thermisch beheer in halfgeleiderapparaten.”