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光激发下单层二硫化钼导电技术减低,同种电荷相互迷惑

2020-03-21 16:21栏目:威尼斯政治
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[据物理学组织网站2018年10月15日报道]近日,研究人员对普通材料进行相变的方法进行了详细的研究,例如熔化或凝固。研究人员已经观察到,当他们使用强脉冲激光触发相位变化时,发生相变的过程与改变温度触发相变的过程完全不同。

[据固态电子技术网站2018年4月13日报道] 莫斯科国立科技大学科学家终于发现了一种材料为什么可能成为新电脑超快速记忆的基础。NUST MISIS的两位研究人员Petr Karpov教授和SergueiBrazovskii教授开发了一种理论,可以解释层状二硫化钽潜在相形成的机制,层状二硫化钽是现代微电子领域最有前途的材料之一。 2014年,SergueiBrazovskii教授与一群来自斯洛文尼亚的实验者共同发现了潜在的物质相。实验表明,小于100纳米大的二硫化钽样品受到超短激光的影响,该实验也开启了层状材料研究“热潮”。照射区域中的材料在脉冲的影响下,其相态发生变化,根据实验者的意愿,样品可由电介质变成导体,或反过来变化。这种变化只发生在1皮秒内,远远快于现代计算机中用作存储介质的“最快”材料。这种情况出现后不会消退,而是持续下去。因此,该材料已成为下一代信息数据介质基础的潜在候选者。

美国麻省理工学院和哈佛大学的研究人员发现,单层二硫化钼半导体在光激发下导电能力下降。利用这一新的光电导机制有望研制下一代激子设备。该发现发表在近日的《物理评论快报》上。

长期以来,科学家们一直怀疑这个可能存在的事实,但直到现在,这个过程还没有被观察和确认。有了这种新的认识,研究人员就可以利用这种机制在新型的光电设备中使用。

SergueiBrazovskii目前担任NUST MISIS“分层材料中局部可调节电子状态理论”项目的首席科学家,并担任巴黎大学理论物理和统计模型实验室的首席科学家。

众所周知,电脑芯片及太阳能电池中使用的硅半导体在光的照射下,其导电能力增强。麻省理工学院和哈佛大学的研究人员发现,在强烈的激光脉冲照射下, 只有三个原子厚的单层二硫化钼的电导率会减少到最初电导率的三分之一。该研究小组利用光学激光脉冲形成该效应,并利用时滞太赫兹脉冲来检测材料的导电响应。

这项特殊的发现发表在Journal Nature Physics上。该小组由麻省理工学院的物理学教授Nuh Gedik领导,团队包括他的的研究生Alfred Zong、博士后Anshul Kogar及来自于麻省理工学院、斯坦福大学和俄罗斯的斯科尔科沃科学技术学院的16位研究人员。

NUST MISIS理论物理和量子技术部的工程师Petr Karpov教授解释了这个问题的根源:“我们的斯洛文尼亚同事发现了这种物质的潜在相后,引起层状二硫化钽研究的“热潮”,以及不同杂志上发表了一些关于该主题的文章。这种相变在传统相变过程中是无法实现的。然而,这些成果大部分都是实验性的,理论研究滞后。也就是说,该物质相态可能已经存在,但为什么会这样呢?它的形成机制是什么?一般来说,其性质仍不清楚。为什么系统不能恢复到原来的状态,继续无限期地保持修改形式?在这篇文章中,我们试图找到该过程发生的理论证据。”

研究人员表示,这是半导体光电导的新机制,此前从未观察到。虽然曾报道某些半导体系统存在负光电导性,但大多是由于外在因素,如缺陷等,而目前的发现则是晶体的内在属性。

在这项研究中,研究小组并没有使用像冰这样的真实晶体,而是使用了一种叫做电荷密度波的电子模拟装置,这种模拟与晶体固体的特征非常相似。

二硫化钽属于一组特殊的导体材料,其中含有所谓的电荷密度波。这意味着除了由于原子存在而引起的电子密度的自然峰值之外,还存在比晶格中相邻原子间距大几倍的另一个峰值周期。在这种情况下,周期的程度是“十三根”,所以有很大的差异。

威尼斯网上手机官网,当光激发半导体时其导电率会增加,因为光吸收后,可形成松散的电子和空穴对,使电流通过材料比较容易。这种现象是设计和优化太阳能电池及数码相机等光电设备的基础。

尽管像冰一样的典型融化行为是以一种相对均匀的方式进行的,但当由超快激光脉冲所引起的电荷密度波融化时,这个过程却有很大的不同。研究人员发现,在光学诱导的熔融过程中,相变是通过在材料中产生许多奇异点来进行的,这些奇异点被称为拓扑缺陷,而这些奇异点又反过来影响材料中电子和晶格原子的动力。

NUST MISIS科学家的工作包括构建和研究一个普遍的理论模型,该理论模型可以描述新发现的相态最重要和最有吸引力的特性:纳米拼接结构的形成和转变。一些金属原子在层状二硫化钽样品受电脉冲处理之后飞出晶格,并导致缺陷——电子晶体中的带电空位。

层状原子晶体是近年来热门的研究课题,这些材料有一个显著特性,即其二维平面内的电荷载体的强约束性。其电荷载体之间的静电相互作用比三维固体要强。强静电相互作用会产生一个非常有趣的效应:当光激发产生电子空穴对,不是产生三维固体中的自由运动,而是仍然绑定在一起,这种束缚状态又称为激子。

Gedik解释说,这些拓扑缺陷类似于水等液体中产生的微小漩涡,或涡流。观察这个独特的融化过程的关键是使用一套极其高速和精确的测量技术来捕捉这个过程。

然而,电荷不是彼此保持最大距离,而是沿着钽原子的直线链“涂抹”,形成具有不同钽原子状态的区域的边界。这些“结构域”本质上是锁住的,链接到全球网络。操纵这些纳米组是为了再材料中观察相变和记忆效应。

事实上,单层二硫化钼的相互作用十分强,以至于激子可以捕捉额外的自由电子,形成两个电子和一个空穴的束缚状态。这些复杂的粒子类似于带负电荷的氢离子,由两个电子和一个质子组成。在单层二硫化钼中,激子与电子相同,带有一个负电荷,但其质量比电子大三倍左右,因此在光激发下,不是增加自由电子,而是相同的电荷密度较重的激子。在电场的作用下,其反应比较迟钝,导致材料的导电性降低。

快速激光脉冲,脉冲时间小于皮秒,模拟了发生的快速相位变化。快速相变的一个典型例子是淬火—比如突然把一块半熔的炽热的铁放入水中,几乎立刻就能冷却下来。这个过程不同于材料在逐渐加热或冷却过程中发生的变化,因为那样会有足够的时间在温度变化的每个阶段都达到平衡—也就是说,在整个过程中达到均匀的温度。

“我们试图找出为什么类似的电荷在这样的结构不排斥,但事实上却彼此吸引。事实证明,在能量上,这一过程比正向电荷彼此间的最大移动更有利可图,因为部分带电畴壁的形成使原子组壁的电荷最小化,这就是畴系变得更稳定的原因。这完全得到了实验的证实,并且整个晶体可以变为一个具有畴域拼接和球体分隔畴壁的状态。”Petr Karpov补充说。

激子是已知的不稳定粒子,通常在非常低的温度出现,持续时间极短,因此,检测其对材料电导率的影响非常具有挑战性。单层二硫化钼的激子作用非常强,在室温条件下就可以发现它。虽然激子的寿命不足十亿分之一秒,但超快的太赫兹技术可以在它们衰变前检测到。

Gedik说,虽然这些光学诱发的相变已经被观察到,但它们的确切机理尚不清楚。

据科学家介绍,这一理论的发展有可能证实二硫化钽的畴态可用于长期储存和超快速信息操作。

该发现有助于实现室温激子设备,否则激子设备就会需要在极低的温度下才能工作。此外,由于该作用可以利用光脉冲进行开关,所以这些设备很容易控制,可无线连接。

该团队使用了三种技术,即超快电子衍射、瞬态反射率、时角分辨光电发射光谱,同时观察激光脉冲的响应。在他们的研究中,他们使用了一种镧和碲的化合物-LaTe3,这是典型的的电荷密度波的材料。同时,当电子和原子对脉冲做出响应时,这些仪器使我们能够追踪到材料中电子和原子的运动。

到目前为止,该研究小组只研究了二硫化钼这种新二维半导体,他们推测其他二维材料可能具有更强的作用,可能也会表现出相同的光电导现象。研究人员表示,这一结果是二硫化钼强劲库仑相互作用的另一个证据,与先前的单层过渡金属二硫族化合物激子作用的研究结果一致。

在实验中,Gedik说:“当电荷密度波正在融化时,我们可以观察到电子和原子的运动”,然后继续观察,有序的结构将重新凝固。这使研究人员能够清楚地观察和确认涡流式的拓扑缺陷的存在。

他们还发现重新固化及缺陷分解的时间不是均匀的,而是在多个时间尺度上发生的。电荷密度波的强度或振幅的恢复速度比晶格的有序度要快得多。只有在研究中使用时间分辨技术,这种观察才有可能实现,每个技术都提供了一个独特的视角。

Alfred Zong表示,研究的下一步将是试图确定他们如何“以可控的方式设计这些缺陷”。这可能会被用作数据存储系统,“使用这些光脉冲将缺陷写入系统,然后再用另一个脉冲来擦除它们。”

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