Een vloeistof maken van elektronen is ingewikkeld, maar het opent de deur naar onderzoek in een grote verscheidenheid aan elektronica. Natuurkundigen van NC State hebben een fasediagram gemaakt waarmee onderzoekers deze vloeistof bij kamertemperatuur kunnen maken. waardoor het voor iedereen veel gemakkelijker wordt om te studeren.

NC State-fysicus Alexander Kemper en postdoctoraal onderzoeker Avinash Rustagi bestuderen wat er gebeurt als je halfgeleiders verstoort door hun elektronen met licht te exciteren. Ze doen dit om de eigenschappen van dat materiaal beter te begrijpen en om materialen te identificeren die nuttig kunnen zijn in elektronische apparaten, variërend van computers tot medische detectie- en therapeutische apparaten. Onlangs, ze publiceerden een studie waarin wordt uitgelegd hoe je bij kamertemperatuur een vloeistof van elektronen en "gaten" kunt creëren door een bepaald type materiaal te verstoren:monolaag overgangsmetaal dichalcogeniden (of TMDC's).

Hoe ontstaat een elektron-gat vloeistof? Simpel gezegd, het is als de overgang van stoom in water die plaatsvindt wanneer we stoom afkoelen tot onder het kookpunt. Schijnbaar licht op een halfgeleider prikkelt de elektronen erin, foto-excitatie genoemd. Foto-excitatie in een halfgeleider creëert een grote dichtheid van elektronen en gaten (als een elektron in een hogere staat wordt geëxciteerd, laat het een gat in zijn oude staat achter). Als deze foto-geëxciteerde ladingsdragers lang genoeg leven en sterk op elkaar inwerken, een elektron-gat vloeistof (EHL) kan vormen.

Dit klinkt heel simpel, maar meestal niet. Om te vormen, EHL's vereisen doorgaans cryogene temperaturen (ergens rond -238 graden Fahrenheit of -150 graden Celsius).

"Deze beperkingen hebben de verkenning van de EHL-status voor mogelijke toepassingen in opto-elektronische en valleytronic-apparaten belemmerd, " zegt Rustagi. "Maar de opkomst van TMDC's heeft de recente waarneming van EHL bij en boven kamertemperatuur mogelijk gemaakt. In feite, De groep van NC State-fysicus Kenan Gundogdu doet momenteel werk in die richting."

TMDC's zijn halfgeleiders met eigenschappen die interessant zijn voor iedereen die elektronica sneller en efficiënter wil laten werken. Monolaag TMDC's zijn dunne halfgeleiders, 2D genoemd omdat ze ongeveer één atoomlaag dik zijn. Als materialen zo dun zijn, nieuwe fysieke eigenschappen ontstaan.

Kemper en Rustagi keken naar de monolaag TMDC molybdeendisulfide (MoS2), en bracht een fasediagram in kaart voor de overgang van een gas van elektron-gatparen naar EHL. Hun fasediagram bevat de vereiste voorwaarden - dichtheid van foto-geëxciteerde ladingsdragers en temperatuur - voor EHL-vorming, en kan dienen als blauwdruk voor andere onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het bestuderen van TMDC-halfgeleiders in de EHL-staat.

"De ongewoon lange levensduur van foto-geëxciteerde dragers maakt EHL-vorming bij kamertemperatuur mogelijk bij een hoge foto-geëxciteerde dragerdichtheid, ", zegt Rustagi. "Dit opent mogelijkheden voor het bestuderen van de EHL onder verschillende effecten, zoals magnetische velden of spanning, voor potentiële technologische toepassingen. Stel je voor dat je de eigenschap van een materiaal kunt afstemmen door het aan licht bloot te stellen. Met TMDC's, blootstelling aan licht van hoge intensiteit kan leiden tot EHL, het effectief veranderen van een halfgeleider om zich als een metaal te gedragen."