研究发明电子桥允许半导体之间快速共享能量
艺术描绘了由超短激光脉冲驱动的电子转移 ，穿过两种原子薄质料之间的界面。这种转移是由层间“桥”状态增进的 ，由于两种质料中的晶格振动 ，电子能够进入该状态
（图片来源: Gregory M. Stewart/SLAC.）
研究人员发明 ，电子在半导体层之间的传热中起着令人惊讶的作用 ，这对下一代电子设备具有重要意义。
随着半导体器件变得越来越小 ，研究人员正在探索二维（2D）质料在晶体管和光电子学中的潜在应用�？刂仆ü庑┲柿系牡绾腿鹊牧鞫撬枪πУ囊� ，但首先我们需要了解原子标准上这些行为的细节。
现在 ，研究人员发明 ，电子在2D半导体质料二硒化钨（WSe 2）和二硫化钨（WS2）层之间的能量转移中起着令人惊讶的作用。研究人员发明 ，虽然这些层相互之间没有紧密结合 ，但电子在它们之间提供了一个桥梁 ，增进了快速的传热。
“我们的事情标明 ，我们需要逾越乐高积木的类比来理解差别2D质料的货仓 ，纵然这些层相互之间没有牢固地结合在一起 ，”美国能源部（DOE）劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的科学家Archana Raja说。“事实上 ，看似差别的层通过共享的电子路径进行通信 ，使我们能够会见并最终设计出大于零件总和的属性。
研究人员在《》的一篇论文中报告了他们的发明 ，这些发明结合了超快 ，原子级温度丈量和广泛的理论盘算的见解。
“这项实验的动机是关于纳米级结中原子运动的基本问题 ，但这些发明对未来电子设备的能量耗散有影响 ，”该论文的配合第一作者 ，目前是斯坦福大学的研究科学家Aditya Sood说。“我们很好奇当热量在两种质料之间流动时 ，电子和原子振动是如何相互耦合的。通过以原子精度放大界面 ，我们发明了一种令人惊讶的有效机制。
研究人员研究了由WSe 2和WS2的堆叠单层组成的设备。这些设备是由伯克利实验室分子铸造厂的Raja小组制造的 ，他们完善了使用透明胶带去除半导体的晶体单层的艺术 ，每个半导体的厚度小于1nm。使用在自制堆叠显微镜下对齐的聚合物印章 ，这些层相互沉积并精确安排在微观窗口上 ，以允许电子通过堆叠传输。
在美国能源部SLAC国家加速器实验室进行的实验中 ，该团队使用了一种称为超快电子衍射（UED）的技术来丈量货仓中各个层的温度 ，同时光学引发WSe 2层中的电子。UED充当“电子相机” ，捕获每层内的原子位置。通过将引发和探测脉冲之间的时间间隔改变万亿分之一秒 ，研究人员可以独立跟踪每层的温度变革 ，使用理论模拟将视察到的原子运动转换为温度。
“这种UED要领提供了一种直接丈量这种庞大异质结构内温度的新要领 ，”斯坦福大学该论文的合著者Aaron Lindenberg说。“这些层相距只有几埃 ，但我们可以有选择地探测它们的响应 ，并且由于时间区分率 ，我们可以在基本时间标准上探测这些结构之间如何以新的方法共享能量。
他们发明 ，正如预期的那样 ，引发的WSe 2层升温了。但令他们惊讶的是 ，WS2层也同时升温 ，标明各层之间的热量快速通报。相比之下 ，当它们没有引发WSe 2中的电子 ，而是使用金属接触层加热异质结构时 ，WSe 2和WS2之间的界面通报热量很是差 ，证实了以前的报道。
“看到两层在光引发后险些同时升温是很是令人惊讶的 ，这促使我们对正在爆发的事情有更深入的了解 ，”Raja说。
为了理解他们的视察结果 ，该团队接纳了理论盘算 ，使用基于密度泛函理论的要领来模拟原子和电子在这些系统中的行为。关于这项事情 ，他们获得了能源质料中引发态现象盘算研究中心（C2SEPEM）的支持 ，该中心是美国能源部资助的伯克利实验室盘算质料科学中心。
研究人员对分层2D WSe 2 / WS2的电子结构以及层内晶格振动的行为进行了广泛的盘算。就像松鼠沿着树枝界说的路径奔驰并偶尔在它们之间跳跃来穿越森林树冠一样 ，质料中的电子仅限于特定的状态和过渡（称为散射）。了解这种电子结构可以为解释实验结果提供指导。
“使用盘算机模拟 ，我们探索了由于晶格振动 ，一层中的电子最初想要散射到哪里 ，”该论文的配合第一作者 ，现在是伯克利实验室质料科学部的博士后研究员Jonah Haber说。 “我们发明它想要散射到这种混淆状态 - 一种'胶水状态' ，电子同时在两层中悬挂。我们对这些胶水状态现在的样子以及它们的特征有一个很好的了解 ，这让我们相对自信地说 ，其他2D半导体异质结构的行为方法相同。
大规模的分子动力学模拟证实 ，在没有共享电子“胶状态”的情况下 ，热量从一层移动到另一层需要更长的时间。这些模拟主要在国家能源研究科学盘算中心（NERSC）进行。
“这里的电子正在做一些重要的事情：它们正在充当散热的桥梁 ，”斯坦福大学的合著者Felipe de Jornada说。如果我们能够理解和控制这一点 ，它就为半导体器件的热治理提供了一种奇特的要领。
（文章来源：《劳伦斯伯克利国家实验室》 《今日质料》 ）
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