Wetenschappers hebben voor het eerst de elektronische structuur in een micro-elektronisch apparaat gevisualiseerd, het openen van mogelijkheden voor nauwkeurig afgestelde elektronische apparaten met hoge prestaties.

Natuurkundigen van de Universiteit van Warwick en de Universiteit van Washington hebben een techniek ontwikkeld om de energie en het momentum van elektronen te meten in werkende micro-elektronische apparaten gemaakt van atomair dun, zogenaamde tweedimensionale, materialen.

Met behulp van deze informatie, ze kunnen visuele representaties van de elektrische en optische eigenschappen van de materialen creëren om ingenieurs te begeleiden bij het maximaliseren van hun potentieel in elektronische componenten.

De experimenteel geleide studie is gepubliceerd in Natuur vandaag (17 juli) en zou ook kunnen helpen de weg vrij te maken voor de tweedimensionale halfgeleiders die waarschijnlijk een rol gaan spelen in de volgende generatie elektronica, in toepassingen zoals fotovoltaïsche, mobiele apparaten en kwantumcomputers.

De elektronische structuur van een materiaal beschrijft hoe elektronen zich in dat materiaal gedragen, en daarom de aard van de stroom die er doorheen stroomt. Dat gedrag kan variëren afhankelijk van de spanning - de hoeveelheid 'druk' op de elektronen - die op het materiaal wordt uitgeoefend, en zo bepalen veranderingen in de elektronische structuur met spanning de efficiëntie van micro-elektronische circuits.

Deze veranderingen in de elektronische structuur van bedieningsapparatuur vormen de basis van alle moderne elektronica. Tot nu, echter, er was geen manier om deze veranderingen direct te zien om ons te helpen begrijpen hoe ze het gedrag van elektronen beïnvloeden.

Door deze techniek toe te passen beschikken wetenschappers over de informatie die ze nodig hebben om 'gefinetunede' elektronische componenten te ontwikkelen die efficiënter werken en hoge prestaties leveren met een lager stroomverbruik. Het zal ook helpen bij de ontwikkeling van tweedimensionale halfgeleiders die worden gezien als potentiële componenten voor de volgende generatie elektronica, met toepassingen in flexibele elektronica, fotovoltaïsche, en spintronica. In tegenstelling tot de huidige driedimensionale halfgeleiders, tweedimensionale halfgeleiders bestaan ​​uit slechts enkele lagen atomen.

Dr. Neil Wilson van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Warwick zei:"Hoe de elektronische structuur verandert met spanning, bepaalt hoe een transistor in je computer of televisie werkt. Voor het eerst visualiseren we die veranderingen direct. zien hoe dat verandert met spanningen was een grote ontbrekende schakel.Dit werk bevindt zich op het fundamentele niveau en is een grote stap in het begrijpen van materialen en de wetenschap erachter.

"Het nieuwe inzicht in de materialen heeft ons geholpen de bandhiaten van deze halfgeleiders te begrijpen, wat de belangrijkste parameter is die hun gedrag beïnvloedt, van welke golflengte van licht ze uitzenden, hoe ze de stroom in een transistor schakelen."

De techniek maakt gebruik van hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES) om elektronen in het gekozen materiaal te 'exciteren'. Door een bundel ultraviolet- of röntgenlicht te focussen op atomen in een bepaald gebied, de aangeslagen elektronen worden uit hun atomen geslagen. Wetenschappers kunnen dan de energie en de bewegingsrichting van de elektronen meten, van waaruit ze de energie en het momentum kunnen berekenen die ze in het materiaal hadden (met behulp van de wetten van het behoud van energie en momentum). Dat bepaalt de elektronische structuur van het materiaal, die vervolgens kan worden vergeleken met theoretische voorspellingen op basis van geavanceerde elektronische structuurberekeningen die in dit geval zijn uitgevoerd door de onderzoeksgroep van co-auteur Dr. Nicholas Hine.

Het team testte de techniek eerst met grafeen voordat het werd toegepast op tweedimensionale overgangsmetaal dichalcogenide (TMD) halfgeleiders. De metingen werden gedaan bij de Spectromicroscopie-bundellijn bij de ELETTRA-synchrotron in Italië, in samenwerking met Dr. Alexei Barinov en zijn groep daar.

Dr. David Cobden, professor in de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Washington, zei:"Vroeger was de enige manier om te leren wat de elektronen doen in een werkend halfgeleiderapparaat, het vergelijken van de stroom-spanningskarakteristieken met gecompliceerde modellen. Nu, dankzij recente ontwikkelingen waardoor de ARPES-techniek kan worden toegepast op kleine plekjes, gecombineerd met de komst van tweedimensionale materialen waar de elektronische actie zich aan de oppervlakte kan bevinden, we kunnen het elektronische spectrum direct in detail meten en zien hoe het in realtime verandert. Dit verandert het spel."

Dr. Xiaodong Xu, van de afdeling Natuurkunde en de afdeling Materials Science &Engineering aan de Universiteit van Washington, zei:"Deze krachtige spectroscopietechniek zal nieuwe mogelijkheden openen om fundamentele fenomenen te bestuderen, zoals visualisatie van elektrisch afstembare topologische faseovergang en dopingeffecten op gecorreleerde elektronische fasen, die anders uitdagend zijn."