研究發現電子橋允許半導體之間快速共享能量
藝術描繪了由超短激光脈沖驅動的電子轉移，穿過兩種原子薄材料之間的界面。這種轉移是由層間“橋”狀態促進的，由于兩種材料中的晶格振動，電子能夠進入該狀態
（圖片來源: Gregory M. Stewart/SLAC.）
研究人員發現，電子在半導體層之間的傳熱中起著令人驚訝的作用，這對下一代電子設備具有重要意義。
隨著半導體器件變得越來越小，研究人員正在探索二維（2D）材料在晶體管和光電子學中的潛在應用。控制通過這些材料的電和熱的流動是它們功能的關鍵，但首先我們需要了解原子尺度上這些行為的細節。
現在，研究人員發現，電子在2D半導體材料二硒化鎢（WSe 2）和二硫化鎢（WS2）層之間的能量轉移中起著令人驚訝的作用。研究人員發現，雖然這些層彼此之間沒有緊密結合，但電子在它們之間提供了一個橋梁，促進了快速的傳熱。
“我們的工作表明，我們需要超越樂高積木的類比來理解不同2D材料的堆棧，即使這些層彼此之間沒有牢固地結合在一起，”美國能源部（DOE）勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）的科學家Archana Raja說。“事實上，看似不同的層通過共享的電子路徑進行通信，使我們能夠訪問并最終設計出大于零件總和的屬性。
研究人員在《》的一篇論文中報告了他們的發現，這些發現結合了超快，原子級溫度測量和廣泛的理論計算的見解。
“這項實驗的動機是關于納米級結中原子運動的基本問題，但這些發現對未來電子設備的能量耗散有影響，”該論文的共同第一作者，目前是斯坦福大學的研究科學家Aditya Sood說。“我們很好奇當熱量在兩種材料之間流動時，電子和原子振動是如何相互耦合的。通過以原子精度放大界面，我們發現了一種令人驚訝的有效機制。
研究人員研究了由WSe 2和WS2的堆疊單層組成的設備。這些設備是由伯克利實驗室分子鑄造廠的Raja小組制造的，他們完善了使用透明膠帶去除半導體的晶體單層的藝術，每個半導體的厚度小于1nm。使用在自制堆疊顯微鏡下對齊的聚合物印章，這些層彼此沉積并精確放置在微觀窗口上，以允許電子通過堆疊傳輸。
在美國能源部SLAC國家加速器實驗室進行的實驗中，該團隊使用了一種稱為超快電子衍射（UED）的技術來測量堆棧中各個層的溫度，同時光學激發WSe 2層中的電子。UED充當“電子相機”，捕獲每層內的原子位置。通過將激發和探測脈沖之間的時間間隔改變萬億分之一秒，研究人員可以獨立跟蹤每層的溫度變化，使用理論模擬將觀察到的原子運動轉換為溫度。
“這種UED方法提供了一種直接測量這種復雜異質結構內溫度的新方法，”斯坦福大學該論文的合著者Aaron Lindenberg說。“這些層相距只有幾埃，但我們可以有選擇地探測它們的響應，并且由于時間分辨率，我們可以在基本時間尺度上探測這些結構之間如何以新的方式共享能量。
他們發現，正如預期的那樣，激發的WSe 2層升溫了。但令他們驚訝的是，WS2層也同時升溫，表明各層之間的熱量快速傳遞。相比之下，當它們沒有激發WSe 2中的電子，而是使用金屬接觸層加熱異質結構時，WSe 2和WS2之間的界面傳遞熱量非常差，證實了以前的報道。
“看到兩層在光激發后幾乎同時升溫是非常令人驚訝的，這促使我們對正在發生的事情有更深入的了解，”Raja說。
為了理解他們的觀察結果，該團隊采用了理論計算，使用基于密度泛函理論的方法來模擬原子和電子在這些系統中的行為。對于這項工作，他們得到了能源材料中激發態現象計算研究中心（C2SEPEM）的支持，該中心是美國能源部資助的伯克利實驗室計算材料科學中心。
研究人員對分層2D WSe 2 / WS2的電子結構以及層內晶格振動的行為進行了廣泛的計算。就像松鼠沿著樹枝定義的路徑奔跑并偶爾在它們之間跳躍來穿越森林樹冠一樣，材料中的電子僅限于特定的狀態和過渡（稱為散射）。了解這種電子結構可以為解釋實驗結果提供指導。
“使用計算機模擬，我們探索了由于晶格振動，一層中的電子最初想要散射到哪里，”該論文的共同第一作者，現在是伯克利實驗室材料科學部的博士后研究員Jonah Haber說。 “我們發現它想要散射到這種混合狀態 - 一種'膠水狀態'，電子同時在兩層中懸掛。我們對這些膠水狀態現在的樣子以及它們的特征有一個很好的了解，這讓我們相對自信地說，其他2D半導體異質結構的行為方式相同。
大規模的分子動力學模擬證實，在沒有共享電子“膠狀態”的情況下，熱量從一層移動到另一層需要更長的時間。這些模擬主要在國家能源研究科學計算中心（NERSC）進行。
“這里的電子正在做一些重要的事情：它們正在充當散熱的橋梁，”斯坦福大學的合著者Felipe de Jornada說。如果我們能夠理解和控制這一點，它就為半導體器件的熱管理提供了一種獨特的方法。
（文章來源：《勞倫斯伯克利國家實驗室》 《今日材料》 ）
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