研究團隊利用激子將電子學帶向未來

2021-02-10 實驗幫

上面的寓言漫畫可以幫助人們更好地了解什麼是激子。圖片來源：瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）。

激子可以徹底改變工程師研究電子產品的方式。一組瑞士洛桑聯邦理工學院研究人員創造了一種新型電晶體，其中一種是使用激子而不是電子的電路元件。值得注意的是，它們的激子基電晶體在室溫下有效地發揮作用，這是迄今為止不可逾越的障礙。他們通過使用兩個2-D材料作為半導體實現了這一點。他們的研究，今天發表在《自然Nature》雜誌上，在激子領域中有著許多啟示，這是一個與光電子學和自旋電子學相結合的有前途的新研究領域。

「我們的研究表明，通過操縱激子，我們已經找到了一種全新的電子方法，」負責瑞士洛桑聯邦理工學院納米電子學與結構實驗室（RANES）的Andras Kis說。「我們正在見證一個全新的研究領域的出現，我們還不知道它的全部範圍。」

這一突破為光電子器件提供了一個階段，它消耗更少的能量，並且比目前的器件更小和更快。此外，可以將光傳輸和電子數據處理系統集成到同一設備中，這將減少所需操作的數量並使系統更高效。

高能級

激子實際上是準粒子，這是一個研究術語，用來描述組成給定物質而不是物質本身的粒子之間的相互作用。激子由電子和電子空穴組成。當電子吸收光子並達到更高的能量水平時，這兩個鍵結合在一起；「激發」的電子在先前的能級中留下一個空穴，帶內理論稱之為價帶。這個空穴，也是一個準粒子，是這個帶中缺失電子的指示。

由於電子帶負電荷，空穴帶正電荷，這兩個粒子仍然受到靜電力的束縛。電子和空穴之間的這種鍵叫做庫侖引力。正是在這種緊張和平衡的狀態下，它們形成了激子。當電子最終回到黑洞中時，它發出光子。然後，激子停止存在。更簡單地說，一個光子在電路的一端進入另一個，而在內部，它產生一個像粒子一樣的激子。

雙贏

直到最近，研究人員才開始研究電子電路中激子的性質。激子中的能量一直被認為是太脆弱的，激子壽命太短，在這個領域中沒有任何真正的興趣。此外，激子只能在極低溫度（約-173℃）的電路中產生和控制。

當瑞士洛桑聯邦理工學院研究人員發現如何控制激子的壽命以及如何移動它們時，突破就來了。他們使用了兩種2-D材料：鎢二硒化物（WSE2）和二硫化鉬（MoS2）。「這些材料中的激子表現出特別強的靜電鍵，更重要的是，它們在室溫下不會很快被破壞。」Kis解釋道。

研究人員還能夠通過利用電子總是能實現到達二硫化鉬，這顯著延長了激子的壽命，而空穴總是在鎢二硒化物中結束。研究人員用氮化硼（BN）保護半導體層，使激子保持更長的時間。

Kis說：「我們創造了一種特殊類型的激子，在這兩個方面與傳統粒子相比區別更大。這延遲了電子返回到空穴並產生光的過程。正是在這個時刻，當激子保持偶極子形式時，它們可以被電場控制和移動。」

來源：https://phys.org/news/2018-07-team-excitons-electronics-future.html

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