Excitons kunnen een revolutie teweegbrengen in de manier waarop ingenieurs elektronica benaderen. Een team van EPFL-onderzoekers heeft een nieuw type transistor gemaakt - een van de componenten van circuits - met behulp van excitonen in plaats van elektronen. Opmerkelijk, hun op excitonen gebaseerde transistor werkt effectief bij kamertemperatuur, een tot nu toe onoverkomelijke hindernis. Ze bereikten dit door twee 2D-materialen als halfgeleiders te gebruiken. hun studie, die vandaag werd gepubliceerd in Natuur , heeft tal van implicaties op het gebied van excitonen, een veelbelovend nieuw studiegebied naast fotonica en spintronica.

"Ons onderzoek toonde aan dat door het manipuleren van excitonen, we waren op een geheel nieuwe benadering van elektronica gekomen, " zegt Andras Kis, die aan het hoofd staat van EPFL's Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures (LANES). "We zijn getuige van de opkomst van een totaal nieuw vakgebied, waarvan we de volledige reikwijdte nog niet kennen."

Deze doorbraak zet de toon voor opto-elektronische apparaten die minder energie verbruiken en zowel kleiner als sneller zijn dan de huidige apparaten. In aanvulling, het zal mogelijk zijn om optische transmissie- en elektronische gegevensverwerkingssystemen in hetzelfde apparaat te integreren, waardoor het aantal benodigde bewerkingen wordt verminderd en de systemen efficiënter worden.

Hoger energieniveau

Excitonen zijn eigenlijk quasideeltjes, een term die wordt gebruikt om de interactie te beschrijven tussen de deeltjes waaruit een bepaalde stof bestaat in plaats van de stof zelf. Excitonen bestaan ​​uit een elektron en een elektronengat. De twee zijn aan elkaar gebonden wanneer het elektron een foton absorbeert en een hoger energieniveau bereikt; het "opgewonden" elektron laat een gat achter in het vorige energieniveau, die, in bandtheorie, wordt een valentieband genoemd. dit gat, ook een quasideeltje, is een indicatie van het ontbrekende elektron in deze band.

Aangezien het elektron negatief geladen is en het gat positief geladen, de twee deeltjes blijven gebonden door een elektrostatische kracht. Deze binding tussen het elektron en het gat wordt Coulomb-aantrekking genoemd. En het is in deze staat van spanning en evenwicht dat ze een exciton vormen. Wanneer het elektron uiteindelijk terugvalt in het gat, het zendt een foton uit. En met dat, het exciton houdt op te bestaan. Simpel gezegd, een foton gaat aan het ene uiteinde van het circuit naar binnen en komt er aan het andere uit; terwijl binnen, het geeft aanleiding tot een exciton dat werkt als een deeltje.

Dubbel succes

Het is pas recent dat onderzoekers de eigenschappen van excitonen in de context van elektronische circuits zijn gaan bekijken. De energie in excitonen werd altijd als te kwetsbaar beschouwd en de levensduur van de excitonen te kort om op dit gebied echt interessant te zijn. In aanvulling, excitonen konden alleen worden geproduceerd en gecontroleerd in circuits bij extreem lage temperaturen (rond de -173 ° C).

De doorbraak kwam toen de EPFL-onderzoekers ontdekten hoe ze de levensduur van de excitonen konden beheersen en hoe ze te verplaatsen. Dit deden ze door gebruik te maken van twee 2-D materialen:tungsten diselenide (WSe ₂ ) en molybdeendisulfide (MoS ₂ ). "De excitonen in deze materialen vertonen een bijzonder sterke elektrostatische binding en, nog belangrijker, ze worden niet snel vernietigd bij kamertemperatuur, " legt Kis uit.

De onderzoekers waren ook in staat om de levensduur van de excitonen aanzienlijk te verlengen door gebruik te maken van het feit dat de elektronen altijd hun weg naar het MoS vonden. ₂ terwijl de gaten altijd in de WSe eindigden ₂ . De onderzoekers hielden de excitonen nog langer aan de gang door de halfgeleiderlagen te beschermen met boornitride (BN).

"We hebben een speciaal soort exciton gemaakt, waar de twee zijden verder uit elkaar liggen dan in het conventionele deeltje, ", zegt Kis. "Dit vertraagt ​​het proces waarbij het elektron terugkeert naar het gat en er licht wordt geproduceerd. Het is op dit punt, wanneer de excitonen iets langer in dipoolvorm blijven, dat ze kunnen worden bestuurd en verplaatst met behulp van een elektrisch veld."