ทีมวิจัยใช้ excitons เพื่อนำอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไปใช้ในอนาคต

Anonim

Excitons สามารถปฏิวัติวิธีที่วิศวกรเข้าสู่ระบบอิเล็กทรอนิกส์ ทีมนักวิจัย EPFL ได้สร้างทรานซิสเตอร์ชนิดใหม่ซึ่งเป็นหนึ่งในส่วนประกอบของวงจรโดยใช้ exciton แทนอิเล็กตรอน โดยเฉพาะอย่างยิ่งฟังก์ชั่นทรานซิสเตอร์แบบ exciton ของพวกเขาทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิห้องซึ่งเป็นอุปสรรคที่ผ่านไม่ได้จนบัดนี้ พวกเขาประสบความสำเร็จนี้โดยใช้วัสดุ 2 มิติเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ การศึกษาของพวกเขาซึ่งได้รับการเผยแพร่ในวันนี้ใน Nature มีความหมายมากมายในด้าน excitonics ซึ่งเป็นพื้นที่ใหม่ที่น่าสนใจสำหรับการศึกษาควบคู่ไปกับฟิสิกส์และ spintronics

Andras Kis หัวหน้าห้องปฏิบัติการของ Electronics and Structural Nanoscale (LANES) ของ EPFL กล่าวว่า "การวิจัยของเราแสดงให้เห็นว่าด้วยการจัดการกับ excitons เราได้ใช้วิธีการใหม่ ๆ ในการใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ "เรากำลังเป็นพยานการเกิดขึ้นของเขตข้อมูลใหม่ทั้งหมดของการศึกษาขอบเขตทั้งหมดที่เรายังไม่ทราบ"

การพัฒนาครั้งนี้เป็นขั้นตอนสำหรับอุปกรณ์ optoelectronic ที่ใช้พลังงานน้อยลงและมีขนาดเล็กและเร็วกว่าอุปกรณ์ปัจจุบัน นอกจากนี้ยังสามารถรวมระบบส่งผ่านแสงและระบบประมวลผลข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์เข้ากับอุปกรณ์เครื่องเดียวกันซึ่งจะช่วยลดจำนวนการดำเนินงานที่จำเป็นและทำให้ระบบมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ระดับพลังงานสูงขึ้น

Exciton เป็น quasiparticles ซึ่งเป็นคำที่ใช้อธิบายปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคที่ทำขึ้นเป็นสารที่กำหนดแทนที่จะเป็นสารตัว Exciton ประกอบด้วยอิเล็กตรอนและรูอิเล็กตรอน ทั้งสองถูกผูกไว้ด้วยกันเมื่ออิเล็กตรอนดูดซับโฟตอนและบรรลุระดับพลังงานที่สูงขึ้น อิเล็กตรอน "ตื่นเต้น" ปล่อยให้อยู่หลังรูในระดับพลังงานก่อนหน้านี้ซึ่งในทฤษฎีวงเรียกว่าแถบความสว่าง หลุมนี้ยังเป็น quasiparticle เป็นตัวบ่งชี้ของอิเล็กตรอนที่หายไปในวงนี้

เนื่องจากอิเล็กตรอนถูกประจุลบและรูมีประจุบวกอนุภาคทั้งสองจึงยังคงถูกยึดด้วยแรงสถิต พันธะระหว่างอิเล็กตรอนกับรูเรียกว่า Coulomb ดึงดูด และมันอยู่ในสถานะของความตึงเครียดและความสมดุลที่พวกเขาสร้าง exciton นี้ เมื่ออิเล็กตรอนในที่สุดตกลงไปในหลุมจะปล่อยโฟตอน และด้วยเหตุนี้ exciton จึงหยุดอยู่ ใส่มากขึ้นเพียงโฟตอนไปในที่ปลายด้านหนึ่งของวงจรและออกมาอื่น ๆ; ขณะที่อยู่ภายในทำให้เกิด exciton ที่ทำหน้าที่เหมือนอนุภาค

ประสบความสำเร็จเป็นสองเท่า

เมื่อเร็ว ๆ นี้นักวิจัยได้เริ่มมองหาคุณสมบัติของ excitons ในบริบทของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ พลังงานใน exciton ได้รับการพิจารณาเสมอเปราะบางและชีวิต exciton สั้นเกินไปที่จะมีความสนใจจริงในโดเมนนี้ นอกจากนี้ excitons สามารถผลิตและควบคุมได้เฉพาะในวงจรที่อุณหภูมิต่ำมาก (ประมาณ -173 องศาเซลเซียส)

การค้นพบนี้เกิดขึ้นเมื่อนักวิจัย EPFL ค้นพบวิธีการควบคุมช่วงชีวิตของ excitons และวิธีเคลื่อนย้ายไปรอบ ๆ พวกเขาทำเช่นนี้โดยใช้วัสดุ 2 มิติ: ทังสเตน diselenide (WSe 2) และซัลไฟด์โมลิบดีนัม (MoS 2) "excitons ในวัสดุเหล่านี้มีพันธะไฟฟ้าสถิตที่แข็งแกร่งโดยเฉพาะอย่างยิ่งและที่สำคัญยิ่งกว่านั้นก็คือพวกเขาจะไม่ถูกทำลายอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิห้อง" Kis อธิบาย

นักวิจัยยังสามารถยืดอายุขัยของ exciton ได้อย่างมากด้วยการใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่าอิเล็กตรอนพบทางของพวกเขาไปยัง MoS 2 ในขณะที่หลุมนั้นมักจะสิ้นสุดลงใน WSe 2 นักวิจัยยังคงรักษา exciton ไว้ได้อีกต่อไปโดยการปกป้องชั้นเซมิคอนดักเตอร์ด้วยโบรอนไนไตรด์ (BN)

"เราสร้าง exciton ประเภทพิเศษซึ่งทั้งสองฝ่ายอยู่ไกลออกไปกว่าอนุภาคทั่วไป" Kis กล่าว "กระบวนการนี้ทำให้กระบวนการอิเล็กตรอนกลับสู่หลุมและมีแสงเกิดขึ้นเมื่อถึงจุดนี้เมื่ออนุภาคของเหลวอยู่ในรูปแบบไดโพลเป็นเวลานานกว่าจะสามารถควบคุมและเคลื่อนตัวไปรอบ ๆ โดยใช้สนามไฟฟ้าได้"

menu
menu