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超快激光器繪制石墨烯中電子“彈道”軌跡圖,對下一代電子設備的影響

超快激光器繪制石墨烯中電子“彈道”軌跡圖,對下一代電子設備的影響

  • 分類:新聞資訊
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  • 來源:
  • 發布時間:2023-12-22
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【概要描述】

超快激光器繪制石墨烯中電子“彈道”軌跡圖,對下一代電子設備的影響

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“通過這種策略,我們能夠將電子引導到一個石墨烯層,同時將它們的‘座位’保留在另一個石墨烯層中,”斯科特說。“用總厚度僅為1.5納米的兩層分子將它們分開,迫使電子保持移動約 50 萬億分之一秒,對于研究人員來說足夠長了,因為配備了快至 0.1 萬億分之一秒的激光,研究它們如何移動。”

 LAWRENCE — 研究發表在納米科學和納米技術頂級期刊 ACS Nano 上,實時揭示石墨烯中電子的彈道運動。

 

  堪薩斯大學超快激光實驗室進行的觀察可能會在控制半導體中的電子、半導體的基本組件方面帶來突破。大多數信息和能源技術。

 

  “一般來說,電子運動會因與固體中其他粒子的碰撞而中斷,”第一作者、堪薩斯大學物理與化學系博士生 Ryan Scott 說。天文學。“這類似于有人在充滿舞者的舞廳里跑步。這些碰撞相當頻繁——每秒大約 10 到 1000 億次。它們會減慢電子速度,導致能量損失并產生不需要的熱量。如果沒有碰撞,電子將在固體內不間斷地移動,類似于高速公路上的汽車或空中的彈道導彈。我們將此稱為“彈道運輸”。”

 

  斯科特在物理學和物理學教授趙輝的指導下進行了實驗室實驗。KU 的天文學。前堪薩斯大學博士生 Pavel Valencia-Acuna 加入了他們的工作,他現在是西北太平洋國家實驗室的博士后研究員。

 

  趙說,利用彈道運輸的電子設備可能會更快、更強大、更節能。

 

  “當前的電子設備,例如計算機和電話,都使用硅基場效應晶體管,”趙說。“在此類設備中,由于電子頻繁發生碰撞,它們只能以每秒厘米數量級的速度漂移。石墨烯中電子的彈道傳輸可用于速度快、能耗低的設備。”

 

  堪薩斯大學的研究人員觀察了石墨烯的彈道運動,石墨烯是下一代電子設備的一種有前途的材料。石墨烯于 2004 年首次被發現,并于 2010 年榮獲諾貝爾物理學獎。石墨烯由單層碳原子組成,形成六方晶格結構,有點像足球網。

 

  斯科特說:“石墨烯中的電子的移動就好像它們的‘有效’質量為零一樣,這使得它們更有可能避免碰撞并以彈道方式移動。” “之前的電實驗通過研究不同條件下電壓產生的電流,揭示了彈道傳輸的跡象。然而,這些技術的速度不夠快,無法追蹤電子的移動。”

 

  研究人員表示,石墨烯(或任何其他半導體)中的電子就像坐在一間滿員的教室里的學生,由于課桌已滿,學生無法自由走動。激光可以釋放電子,暫時騰出桌子,或者物理學家所說的“空穴”。

 

  “光可以為電子提供能量以釋放電子,使其可以自由移動,”趙說。“這類似于允許學生站起來離開座位。然而,與電荷中性的學生不同,電子帶負電。一旦電子離開它的‘座位’,座位就會帶正電,并迅速將電子拖回來,導致電子不再移動——就像學生坐回去一樣。”

 

  由于這種效應,石墨烯中的超輕電子在回落到其位置之前只能保持約萬億分之一秒的移動時間。這么短的時間對觀察電子的運動提出了嚴峻的挑戰。為了解決這個問題,堪薩斯大學的研究人員設計并制造了一種四層人造結構,其中兩個石墨烯層被另外兩種單層材料(二硫化鉬和二硒化鉬)隔開。

 

  “通過這種策略,我們能夠將電子引導到一個石墨烯層,同時將它們的‘座位’保留在另一個石墨烯層中,”斯科特說。“用總厚度僅為 1.5 納米的兩層分子將它們分開,迫使電子保持移動約 50 萬億分之一秒,對于研究人員來說足夠長了,因為配備了快至 0.1 萬億分之一秒的激光,研究它們如何移動。”

 

  研究人員使用緊密聚焦的激光點來釋放樣品中的一些電子。他們通過繪制樣品的“反射率”或它們反射的光的百分比來追蹤這些電子。

 

  “我們看到大多數物體是因為它們將光反射到我們的眼睛,”斯科特說。“較亮的物體具有較大的反射率。另一方面,深色物體會吸收光線,這就是為什么深色衣服在夏天會變得很熱的原因。當移動電子移動到樣品的某個位置時,它會通過改變該位置的電子與光相互作用的方式使該位置稍微變亮。影響非常小——即使一切都優化了,一個電子也只會改變百萬分之 0.1 的反射率。”

 

  為了檢測如此小的變化,研究人員一次性釋放了 20,000 個電子,使用探針激光從樣品上反射并測量反射率,對每個數據點重復該過程 8000 萬次。他們發現電子平均以每秒 22 公里的速度彈道運動約 20 萬億分之一秒,然后遇到終止其彈道運動的物體。

  

  該研究由能源部材料物理行為項目資助。

 

  趙說,目前他的實驗室正在努力完善他們的材料設計,以更有效地引導電子到達所需的石墨烯層,并試圖找到使電子彈道移動更遠距離的方法。

信息來源:The University of Kansas、石墨烯網

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