电子桥允许半导体之间的快速能量共享

随着半导体设备变得越来越小，研究人员正在探索二维(2D)材料在晶体管和光电子学中的潜在应用。控制通过这些材料的电流和热量的流动是它们功能的关键，但首先我们需要在原子尺度上了解这些行为的细节。

现在，研究人员发现，电子在二维半导体材料二硒化钨(WSe2)和二硫化钨(WS2)层之间的能量传输方式中发挥着令人惊讶的作用。研究人员发现，虽然这些层之间并没有紧密结合，但电子在它们之间提供了一座桥梁，促进了快速的热传递。

美国能源部劳伦斯伯克利分校的科学家ArchanaRaja说：“我们的工作表明，我们需要超越乐高积木的类比来理解不同二维材料的堆叠，即使这些材料层之间的结合并不牢固。”领导这项研究的国家实验室(伯克利实验室)。“看似不同的层，实际上通过共享的电子通路进行通信，使我们能够访问并最终设计出大于各部分总和的属性。”

该研究最近发表在《自然纳米技术》杂志上，结合了超快、原子级温度测量和大量理论计算的见解。

“这项实验的动机是关于纳米级结中原子运动的基本问题，但这些发现对未来电子设备的能量耗散有影响，”该研究的共同第一作者、现任斯坦福大学研究科学家AdityaSood说。“我们很好奇当热量在两种材料之间流动时，电子和原子振动如何相互耦合。通过以原子精度放大界面，我们发现了一种令人惊讶的有效耦合机制。”

具有原子精度的超快温度计

研究人员研究了由堆叠单层WSe2和WS2组成的设备。这些设备是由伯克利实验室分子铸造厂的Raja小组制造的，他们完善了使用透明胶带剥离半导体晶体单层的技术，每个半导体的厚度都小于一纳米。使用在自制堆叠显微镜下对齐的聚合物印章，将这些层沉积在彼此之上，并精确放置在显微镜窗口上，以使电子能够通过样品传输。

在能源部SLAC国家加速器实验室进行的实验中，该团队使用一种称为超快电子衍射(UED)的技术来测量各个层的温度，同时仅在WSe2中光学激发电子层。UED充当“电子相机”，捕捉每一层内的原子位置。通过将激发脉冲和探测脉冲之间的时间间隔改变万亿分之一秒，他们可以独立跟踪每一层的温度变化，使用理论模拟将观察到的原子运动转化为温度。

“这种UED方法实现了一种直接测量这种复杂异质结构内温度的新方法，”斯坦福大学研究的合著者AaronLindenberg说。“这些层仅相隔几埃，但我们可以有选择地探测它们的响应，并且由于时间分辨率，可以在基本时间尺度上探测这些结构之间如何以新方式共享能量。”

他们发现WSe2层如预期一样升温，但令他们惊讶的是，WS2层也同时升温，这表明层与层之间的热量快速传递。相比之下，当他们不激发WSe2中的电子并使用金属接触层加热异质结构时，WSe2和WS2之间的界面传热非常差，这证实了之前的报道。

“看到这两层在光激发后几乎同时升温是非常令人惊讶的，这促使我们归零以更深入地了解正在发生的事情，”Raja说。

电子“胶态”创造了一座桥梁

为了理解他们的观察结果，该团队采用了理论计算，使用基于密度泛函理论的方法来模拟原子和电子在这些系统中的行为，并得到能源材料激发态现象计算研究中心(C2SEPEM)的支持，该中心是美国能源部-资助伯克利实验室的计算材料科学中心。

研究人员对层状二维WSe2/WS2的电子结构以及层内晶格振动的行为进行了广泛的计算。就像穿越森林树冠的松鼠一样，它们可以沿着树枝定义的路径奔跑，偶尔会在它们之间跳跃，材料中的电子仅限于特定状态和转变(称为散射)，并且该电子结构的知识提供了解释解释的指南实验结果。

“使用计算机模拟，我们探索了由于晶格振动，一层中的电子最初想要散射到的位置，”该研究的共同第一作者JonahHaber说，他现在是伯克利实验室材料科学部的博士后研究员。“我们发现它想要分散到这种混合状态——一种‘胶合状态’，电子同时在两层中悬挂。我们很清楚这些胶合状态现在是什么样子，以及它们的状态是什么签名是，这让我们可以相对自信地说，其他二维半导体异质结构将以相同的方式表现。”

大规模分子动力学模拟证实，在没有共享电子“胶态”的情况下，热量从一层移动到另一层所需的时间要长得多。这些模拟主要在国家能源研究科学计算中心(NERSC)进行。

“这里的电子正在做一些重要的事情：它们充当散热的桥梁，”来自斯坦福大学的共同作者FelipedeJornada说。“如果我们能够理解和控制它，它就会为半导体设备的热管理提供一种独特的方法。”