Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Ultrasnelle lasers brengen elektronen in kaart die ballistisch worden in grafeen, met implicaties voor elektronische apparaten van de volgende generatie

"Dit is vergelijkbaar met iemand die in een balzaal vol dansers rent. Deze botsingen komen vrij vaak voor:ongeveer 10 tot 100 miljard keer per seconde. Ze vertragen de elektronen, veroorzaken energieverlies en genereren ongewenste warmte. Zonder botsingen zou een elektron ononderbroken bewegen binnen een vaste stof, vergelijkbaar met auto's op een snelweg of ballistische raketten door de lucht. We noemen dit 'ballistisch transport'.'

Scott voerde de laboratoriumexperimenten uit onder het mentorschap van Hui Zhao, hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de KU. Ze werden bij het werk vergezeld door voormalig KU-doctoraatsstudent Pavel Valencia-Acuna, nu postdoctoraal onderzoeker aan het Northwest Pacific National Laboratory.

Zhao zei dat elektronische apparaten die gebruik maken van ballistisch transport potentieel sneller, krachtiger en energiezuiniger kunnen zijn.

"De huidige elektronische apparaten, zoals computers en telefoons, maken gebruik van op silicium gebaseerde veldeffecttransistors", zei Zhao. "In dergelijke apparaten kunnen elektronen slechts met een snelheid in de orde van centimeters per seconde ronddrijven vanwege de frequente botsingen die ze tegenkomen. Het ballistische transport van elektronen in grafeen kan worden gebruikt in apparaten met hoge snelheid en een laag energieverbruik." P>

De KU-onderzoekers observeerden de ballistische beweging in grafeen, een veelbelovend materiaal voor elektronische apparaten van de volgende generatie. Grafeen werd voor het eerst ontdekt in 2004 en kreeg in 2010 de Nobelprijs voor de Natuurkunde. Het bestaat uit een enkele laag koolstofatomen die een hexagonale roosterstructuur vormen, een beetje zoals een voetbalnet.

"Elektronen in grafeen bewegen alsof hun 'effectieve' massa nul is, waardoor de kans groter is dat ze botsingen vermijden en ballistisch bewegen," zei Scott. "Eerdere elektrische experimenten, door het bestuderen van elektrische stromen geproduceerd door spanningen onder verschillende omstandigheden, hebben tekenen van ballistisch transport aan het licht gebracht. Deze technieken zijn echter niet snel genoeg om de elektronen te volgen terwijl ze bewegen."

Volgens de onderzoekers lijken elektronen in grafeen (of welke andere halfgeleider dan ook) op studenten die in een vol klaslokaal zitten, waar studenten zich niet vrij kunnen bewegen omdat de bureaus vol zijn. Het laserlicht kan elektronen vrijmaken om tijdelijk een bureau te verlaten, of 'gat' zoals natuurkundigen ze noemen.

"Licht kan energie aan een elektron leveren om het vrij te maken, zodat het vrij kan bewegen", zei Zhao. "Dit is vergelijkbaar met het toestaan ​​dat een student opstaat en wegloopt van zijn stoel. Maar in tegenstelling tot een ladingsneutrale student is een elektron negatief geladen. Zodra het elektron zijn 'stoel' heeft verlaten, wordt de stoel positief geladen en snel sleept het elektron terug, waardoor er geen mobiele elektronen meer zijn, zoals de leerling die weer zit."

Vanwege dit effect kunnen de superlichte elektronen in grafeen slechts ongeveer een biljoenste van een seconde mobiel blijven voordat ze weer op hun plaats vallen. Deze korte tijd vormt een ernstige uitdaging voor het observeren van de beweging van de elektronen. Om dit probleem aan te pakken, ontwierpen en vervaardigden de KU-onderzoekers een vierlaagse kunstmatige structuur met twee grafeenlagen gescheiden door twee andere enkellaagse materialen, molybdeendisulfide en molybdeendiselenide.

"Met deze strategie konden we de elektronen naar de ene grafeenlaag leiden terwijl ze hun 'zetels' in de andere grafeenlaag behouden," zei Scott. “Door ze te scheiden met twee lagen moleculen, met een totale dikte van slechts 1,5 nanometer, worden de elektronen gedwongen om ongeveer 50 biljoenste van een seconde mobiel te blijven, lang genoeg voor de onderzoekers, uitgerust met lasers die zo snel zijn als 0,1 biljoenste van een seconde. , om te bestuderen hoe ze bewegen."

De onderzoekers gebruiken een strak gefocuste laservlek om enkele elektronen in hun monster vrij te maken. Ze traceren deze elektronen door de ‘reflectie’ van het monster in kaart te brengen, oftewel het percentage licht dat ze reflecteren.

"We zien de meeste objecten omdat ze licht naar onze ogen reflecteren", zei Scott.

"Helderere objecten hebben een grotere reflectie. Aan de andere kant absorberen donkere objecten licht, wat de reden is dat donkere kleding heet wordt in de zomer. Wanneer een mobiel elektron naar een bepaalde locatie van het monster beweegt, maakt het die locatie iets helderder door te veranderen hoe elektronen op die locatie hebben een interactie met licht. Het effect is erg klein:zelfs als alles geoptimaliseerd is, verandert één elektron de reflectie slechts met 0,1 deel per miljoen."

Om zo'n kleine verandering te detecteren, hebben de onderzoekers 20.000 elektronen tegelijk vrijgemaakt, met behulp van een sondelaser om op het monster te reflecteren en deze reflectie te meten, waarbij het proces 80 miljoen keer werd herhaald voor elk datapunt. Ze ontdekten dat de elektronen gemiddeld ongeveer 20 biljoensten van een seconde ballistisch bewegen met een snelheid van 22 kilometer per seconde voordat ze tegen iets aanlopen dat hun ballistische beweging beëindigt.

Meer informatie: Ryan J. Scott et al, Spatiotemporele observatie van quasi-ballistisch transport van elektronen in grafeen, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c08816

Journaalinformatie: ACS Nano

Aangeboden door Universiteit van Kansas




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Natuurlijke biosurfactanten:de toekomst van milieuvriendelijke vleesconservering
  2. Hoe werken het ademhalings- en cardiovasculaire systeem samen?
  3. Oceaanmonumenten worden geconfronteerd met mogelijk verlies van bescherming
  4. Vijf nieuwe malariatargets die kunnen leiden tot een effectief vaccin
  5. Wat zijn de functies van glasplaat & dekglaasjes?
  6. Forensische wetenschapsprojecten voor middelbare scholieren
  7. Honden likken hun mond om te communiceren met boze mensen
  8. Het bacteriële sociale netwerk hacken
  9. Een dieper begrip van de seksuele ontwikkeling van malariaparasieten ontsluit mogelijkheden om de verspreiding van ziekten te blokkeren

Wetenschap