神奇的「激子」:新一代電子器件將更節能!

2020-12-06 環球創新智慧

導讀

近日，瑞士洛桑聯邦理工學院納米電子與結構實驗室的科學家們發現了一種控制激子某些特性以及改變它們產生光線的偏振特性的方法。這項研究將通向能耗更低、發熱更少的新一代電子器件，同時也將成為新興的「谷電子學」科研領域的一部分。

背景

隨著後摩爾時代的來臨，電子器件的性能正日益逼近其物理極限。傳統計算機與電子器件面臨著兩大問題：能耗大、發熱多。這兩個問題的根本原因在於電荷，而傳統計算機正是利用電荷來傳輸與處理數據的。

然而除了電荷屬性，電子還具有自旋屬性。自旋，是電子與生俱來的量子物理特性，它可以被理解為一種角動量，要麼「向上」，要麼「向下」。自旋電子器件的潛力巨大，與傳統電子器件相比，它們產生的熱量很少，耗費的電量也很少。

目前，科學家們已經探索出一些自旋電子器件，包括邏輯器件與存儲器件，例如：美國德克薩斯大學達拉斯分校科學家設計出的全碳自旋邏輯器件、新加坡國立大學領導的國際科研團隊發明的採用亞鐵磁體的自旋電子存儲器件。

除了電荷與自旋之外，電子還有新的特性，或者說「自由度」。對此，美國賓州州立大學的助理教授 Jun Zhu 這麼認為：

「目前的矽基電晶體設備依賴於電荷來開關器件，然而許多的實驗室正在尋找新方法（自由度）以操作電子。電荷是一種自由度，自旋是另一個自由度，構建基於自旋的電晶體的能力，也稱為自旋電子學，目前仍處於發展階段。第三個電子自由度，就是電子的『谷狀態』，它基於與它們動量相關的能量。」

因此，科學界出現了一個新興的前沿研究領域：Valleytronics（谷電子學）。Valleytronics 是一個較新的學術詞彙，由「valley」（谷）和「electronics」（電子）兩個單詞合成。

什麼是谷電子學？

某些特殊的半導體，也稱為「多谷半導體」，會在第一布裡淵區的電子能帶結構中出現多個「谷」（局部最小值）。谷電子學是指控制谷自由度的技術，所謂的谷自由度也就是這些多谷半導體中局部的「最大值/最小值」。谷電子學通常用於半導體量子物理領域。

谷電子學與新興的自旋電子學有點相似。在自旋電子學中，內部的自旋自由度被用於存儲、操控和讀出比特信息；在谷電子學中，完成相似的任務是通過利用多個能帶結構的極值，所以二進位信息「0」與「1」存儲為不同的晶體動量離散值。

之前，筆者曾經介紹過美國賓州州立大學領導的科研團隊通過雙層石墨烯製成的設備展開實驗，控制電子運動，實現了能耗更低和發熱更少的半導體電子設備。此舉成為了向「谷電子學」新興電子物理領域邁出的重要一步。

（圖片來源: Jun Zhu / 賓州州立大學）

創新

近日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）納米電子與結構實驗室（LANES）的科學家們在谷電子學研究領域又取得了新進展，這一次他們是通過操控激子的「谷」，這種「谷」與電子和空穴的能量極值相關。這些「谷」可用於在納米尺度上編碼和處理信息。

該團隊率先實現了室溫條件下的激子控制。現在，他們將這項技術推進了一步，發現了一種控制激子某些特性以及改變它們產生光線的偏振特性的方法。

這項研究的論文已在《自然光子學（Nature Photonics）》期刊上發表。

（圖片來源: EPFL）

技術

什麼是激子？

當電子吸收光子並躍遷到更高的能級（在固態量子物理中也稱為「能帶」）時，激子就產生了。這種受激的電子在之前的能帶上留下一個「空穴」。因為電子具有負電荷，而空穴具有正電荷，兩種粒子在靜電力（庫倫力）的作用下束縛在一起，正是這種「電子-空穴」的配對被稱為激子。

下面這幅漫畫能讓我們對於激子有一個更形象、更直觀的理解：

（圖片來源：EPFL）

激子只存在於半導體與絕緣體材料中，它們的非凡特性可在二維材料中輕鬆地獲取到。二維材料，是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運動（平面運動）的材料，例如石墨烯、氮化硼、過渡族金屬化合物（二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢）、黑磷等。由於結構特殊，所以二維材料具有諸多優秀的特性，特別適合用於柔性電子器件、自旋電子器件等新興電子器件的研究。

當兩種二維材料結合起來時，通常會展現出兩種材料原本都不具備的量子特性。去年7月份，該團隊將兩種二維材料：二硒化鎢（WSe2）和二硫化鉬（MoS2）相結合，採用「激子」取代電子，製造出一種能在室溫下有效工作的新型電晶體：激子電晶體。

WSe2–MoS2 範德瓦爾斯異質結中的層間激子（圖片來源：參考資料【3】）

激子電晶體在室溫下的操作（圖片來源：參考資料【3】）

這一次，EPFL 的科學家們又一次將二硒化鎢（WSe2）與二硒化鉬（MoSe2）結合到一起形成了範德瓦爾斯異質結，並對其中的層間激子進行電氣控制與偏振切換。他們通過採用雷射器產生圓偏振光束，並稍微移動兩種二維材料的位置以創造出莫列波紋(Moiré Pattern)，從而達到採用激子改變並調整光線的偏振、波長和強度。

LANES 的領頭人 Andras Kis 表示：「將包含這項技術的幾個設備聯繫起來，為我們帶來了一種新的處理數據的方法。通過改變給定設備中的光線偏振特性，然後我們可以在與之連接的第二設備中選擇一個特定的谷。這就像從『0』切換到『1』，或者從『1』切換到『0』，這正是計算機所採用的基本二進位邏輯。」

器件的特性（圖片來源：參考資料【4】）

層間激子的電氣控制（圖片來源：參考資料【4】）

偏振的電氣控制（圖片來源：參考資料【4】）

價值

這項研究將通向電晶體能耗與發熱更少的新一代電子器件，並成為新興的「谷電子學」科研領域的一部分。

關鍵字

半導體、谷電子學、自旋電子學、電晶體

參考資料

【1】https://actu.epfl.ch/news/excitons-pave-the-way-to-more-efficient-electronic/

【2】Joseph S. Friedman et al, Cascaded spintronic logic with low-dimensional carbon, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/ncomms15635

【3】http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0357-y

【4】http://dx.doi.org/10.1038/s41566-018-0325-y

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