Eine elektronische Brücke ermöglicht eine schnelle Energieteilung zwischen Halbleitern

Da Halbleiterbauelemente immer kleiner werden, erforschen Forscher zweidimensionale (2D) Materialien für potenzielle Anwendungen in Transistoren und Optoelektronik. Die Kontrolle des Strom- und Wärmeflusses durch diese Materialien ist der Schlüssel zu ihrer Funktionalität, aber zuerst müssen wir die Details dieses Verhaltens auf atomarer Ebene verstehen.

Jetzt haben Forscher entdeckt, dass Elektronen eine überraschende Rolle dabei spielen, wie Energie zwischen Schichten von 2D-Halbleitermaterialien Wolframdiselenid (WSe2) und Wolframdisulfid (WS2) übertragen wird. Obwohl die Schichten nicht fest miteinander verbunden sind, bilden Elektronen eine Brücke zwischen ihnen, die eine schnelle Wärmeübertragung erleichtert, fanden die Forscher heraus.

„Unsere Arbeit zeigt, dass wir über die Analogie von Lego-Blöcken hinausgehen müssen, um Stapel unterschiedlicher 2D-Materialien zu verstehen, auch wenn die Schichten nicht stark miteinander verbunden sind“, sagte Archana Raja, Wissenschaftlerin am Department of Energy von Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), der die Studie leitete. „Die scheinbar unterschiedlichen Schichten kommunizieren tatsächlich über gemeinsame elektronische Wege, was es uns ermöglicht, auf Eigenschaften zuzugreifen und sie schließlich zu entwerfen, die größer sind als die Summe der Teile.“

Die Studie erschien kürzlich in Natur Nanotechnologie und kombiniert Erkenntnisse aus ultraschnellen Temperaturmessungen im atomaren Maßstab und umfangreichen theoretischen Berechnungen.

„Dieses Experiment wurde durch grundlegende Fragen zu Atombewegungen in nanoskaligen Übergängen motiviert, aber die Ergebnisse haben Auswirkungen auf die Energiedissipation in futuristischen elektronischen Geräten“, sagte Aditya Sood, Co-Erstautor der Studie und derzeit Forschungswissenschaftler an der Stanford University. „Wir waren neugierig, wie Elektronen und Atomschwingungen miteinander koppeln, wenn Wärme zwischen zwei Materialien fließt. Indem wir mit atomarer Präzision in die Grenzfläche gezoomt haben, haben wir einen überraschend effizienten Mechanismus für diese Kopplung entdeckt.“

Ein ultraschnelles Thermometer mit atomarer Präzision

Die Forscher untersuchten Geräte, die aus gestapelten Monoschichten von WSe2 und WS2 bestehen. Die Geräte wurden von Rajas Gruppe in der Molecular Foundry von Berkeley Lab hergestellt, die die Kunst der Verwendung von Klebeband perfektionierte, um kristalline Monoschichten der Halbleiter abzuheben, die jeweils weniger als einen Nanometer dick sind. Unter Verwendung von Polymerstempeln, die unter einem selbstgebauten Stapelmikroskop ausgerichtet wurden, wurden diese Schichten übereinander abgeschieden und präzise über einem mikroskopischen Fenster platziert, um die Übertragung von Elektronen durch die Probe zu ermöglichen.

In Experimenten, die am SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums durchgeführt wurden, verwendete das Team eine Technik, die als ultraschnelle Elektronenbeugung (UED) bekannt ist, um die Temperaturen der einzelnen Schichten zu messen, während Elektronen nur in der WSe2-Schicht optisch angeregt wurden. Das UED diente als „Elektronenkamera“ und erfasste die Atompositionen innerhalb jeder Schicht. Indem sie das Zeitintervall zwischen den Anregungs- und Sondierungsimpulsen um Billionstel Sekunden variierten, konnten sie die sich ändernde Temperatur jeder Schicht unabhängig verfolgen, indem sie theoretische Simulationen verwendeten, um die beobachteten atomaren Bewegungen in Temperaturen umzuwandeln.

„Was dieser UED-Ansatz ermöglicht, ist eine neue Möglichkeit, die Temperatur innerhalb dieser komplexen Heterostruktur direkt zu messen“, sagte Aaron Lindenberg, Mitautor der Studie an der Stanford University. „Diese Schichten sind nur wenige Angström voneinander entfernt, und dennoch können wir ihre Reaktion selektiv untersuchen und aufgrund der Zeitauflösung auf fundamentalen Zeitskalen untersuchen, wie Energie zwischen diesen Strukturen auf neue Weise aufgeteilt wird.“

Sie fanden heraus, dass sich die WSe2-Schicht wie erwartet erwärmte, aber zu ihrer Überraschung erwärmte sich auch die WS2-Schicht gleichzeitig, was auf eine schnelle Wärmeübertragung zwischen den Schichten hindeutet. Wenn sie im Gegensatz dazu keine Elektronen im WSe2 anregten und stattdessen die Heterostruktur mit einer Metallkontaktschicht erhitzten, übertrug die Grenzfläche zwischen WSe2 und WS2 Wärme sehr schlecht, was frühere Berichte bestätigte.

„Es war sehr überraschend zu sehen, wie sich die beiden Schichten nach der Lichtanregung fast gleichzeitig aufheizten, und es motivierte uns, uns auf ein tieferes Verständnis dessen zu konzentrieren, was vor sich ging“, sagte Raja.

Ein elektronischer „Klebzustand“ schafft eine Brücke

Um ihre Beobachtungen zu verstehen, führte das Team theoretische Berechnungen mit Methoden auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie durch, um mit Unterstützung des Center for Computational Study of Excited-State Phenomena in Energy Materials (C2SEPEM), einem DOE, zu modellieren, wie sich Atome und Elektronen in diesen Systemen verhalten -finanziertes Computational Materials Science Center am Berkeley Lab.

Die Forscher führten umfangreiche Berechnungen der elektronischen Struktur von geschichtetem 2D-WSe2/WS2 sowie des Verhaltens von Gitterschwingungen innerhalb der Schichten durch. Wie Eichhörnchen, die ein Walddach durchqueren, die entlang von Ästen definierter Pfade laufen und gelegentlich zwischen ihnen hin- und herspringen können, sind Elektronen in einem Material auf bestimmte Zustände und Übergänge beschränkt (bekannt als Streuung), und die Kenntnis dieser elektronischen Struktur bietet eine Anleitung zur Interpretation der Experimentelle Ergebnisse.

„Mithilfe von Computersimulationen haben wir untersucht, wohin das Elektron in einer Schicht aufgrund von Gitterschwingungen ursprünglich streuen wollte“, sagte Jonah Haber, Co-Erstautor der Studie und jetzt Postdoktorand in der Abteilung für Materialwissenschaften am Berkeley Lab. „Wir fanden heraus, dass es in diesen hybriden Zustand streuen wollte – eine Art ‚Klebezustand‘, in dem das Elektron gleichzeitig in beiden Schichten hängt. Wir haben eine gute Vorstellung davon, wie diese Klebezustände jetzt aussehen und was ihre sind Signaturen sind, und das lässt uns relativ zuversichtlich sagen, dass sich andere 2D-Halbleiter-Heterostrukturen genauso verhalten werden.“

Molekulardynamik-Simulationen im großen Maßstab bestätigten, dass Wärme ohne den gemeinsamen „Klebezustand“ der Elektronen viel länger brauchte, um von einer Schicht zur anderen zu gelangen. Diese Simulationen wurden hauptsächlich am National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) durchgeführt.

„Die Elektronen hier tun etwas Wichtiges: Sie dienen als Brücken zur Wärmeableitung“, sagte Felipe de Jornada, Co-Autor der Stanford University. „Wenn wir das verstehen und kontrollieren können, bietet es einen einzigartigen Ansatz für das Wärmemanagement in Halbleitergeräten.“