科學(xué)家首次將微電子設(shè)備的電子結(jié)構(gòu)可視化，為微調(diào)高性能電子設(shè)備打開了大門。華威大學(xué)(University of Warwick)和華盛頓大學(xué)(University of Washington)物理學(xué)家開發(fā)了一種技術(shù)，可以在操作由原子厚度，所謂二維材料制成的微電子設(shè)備時(shí)測(cè)量電子能量和動(dòng)量。

利用這些信息，可以創(chuàng)建材料的電學(xué)和光學(xué)特性可視化表示，以指導(dǎo)工程師最大化在電子元件中的潛力。這項(xiàng)由實(shí)驗(yàn)主導(dǎo)的研究發(fā)表在《自然》上，還可能為二維半導(dǎo)體鋪平道路。

這種半導(dǎo)體很可能在下一代電子產(chǎn)品中發(fā)揮作用，應(yīng)用于光電、移動(dòng)設(shè)備和量子計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。材料電子結(jié)構(gòu)描述了電子在該材料內(nèi)的行為，從而描述了流經(jīng)該材料的電流性質(zhì)。這種行為可能會(huì)隨著施加在材料上的電壓而變化，即電子上的“壓力”大小，因此隨著電壓的變化，電子結(jié)構(gòu)變化決定了微電子電路的效率。操作設(shè)備中電子結(jié)構(gòu)的這些變化是所有現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)。然而，到目前為止，還沒有辦法直接看到這些變化來幫助我們理解它們?nèi)绾斡绊戨娮拥男袨椤?/p>

通過應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，科學(xué)家們將獲得開發(fā)“微調(diào)”電子元件所需的信息，這些元件工作效率更高，運(yùn)行效率更高，能耗更低。還將有助于開發(fā)二維半導(dǎo)體，這些半導(dǎo)體被視為下一代電子產(chǎn)品的潛在組件，在柔性電子、光電和自旋電子學(xué)中得到應(yīng)用。與今天的三維半導(dǎo)體不同，二維半導(dǎo)體只由幾層原子組成。華威大學(xué)物理系的尼爾·威爾遜博士說：電子結(jié)構(gòu)如何隨著電壓的變化而變化，這決定了電腦或電視中的晶體管如何工作。

現(xiàn)在第一次直接看到了這些變化，無(wú)法看到這種變化如何與電壓是一個(gè)很大的缺失環(huán)節(jié)。這項(xiàng)研究是基礎(chǔ)性的，在理解材料及其背后的科學(xué)方面邁出了一大步。對(duì)這種材料的新發(fā)現(xiàn)幫助人們理解這些半導(dǎo)體的帶隙，這是影響它們行為的最重要參數(shù)，從它們發(fā)出光的波長(zhǎng)，到它們?cè)诰w管中如何開關(guān)電流。該技術(shù)使用角度分辨光發(fā)射光譜(ARPES)來“激發(fā)”選定材料中的電子。通過將一束紫外線或x射線聚焦在一個(gè)特定區(qū)域的原子上，激發(fā)的電子就會(huì)從原子中被擊出。

科學(xué)家可以測(cè)量電子的能量和運(yùn)動(dòng)方向，從而計(jì)算出它們?cè)诓牧现兴哂械哪芰亢蛣?dòng)量。這就決定了這種材料的電子結(jié)構(gòu)，然后可以將其與理論預(yù)測(cè)進(jìn)行比較，理論預(yù)測(cè)是基于最先進(jìn)的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算，在本例中由論文合著者Nicholas Hine博士的研究小組進(jìn)行。在將石墨烯應(yīng)用于二維過渡金屬雙鹵代烷(TMD)半導(dǎo)體之前，該團(tuán)隊(duì)首先使用石墨烯對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了測(cè)試。這些測(cè)量數(shù)據(jù)是在意大利埃利特拉同步加速器的光譜顯微鏡下進(jìn)行，由阿列克謝巴里諾夫博士和團(tuán)隊(duì)合作完成。

華盛頓大學(xué)物理系教授大衛(wèi)·科布登博士說：過去，了解半導(dǎo)體器件中電子活動(dòng)的唯一方法是將其電流電壓特性與復(fù)雜模型進(jìn)行比較?，F(xiàn)在，由于新的進(jìn)步，使得ARPES技術(shù)可以應(yīng)用到微小點(diǎn)上，再加上二維材料的出現(xiàn)，使得電子作用可以直接在表面進(jìn)行，可以直接測(cè)量電子光譜的細(xì)節(jié)，并看它是如何實(shí)時(shí)變化的，這改變了游戲規(guī)則。這種強(qiáng)大的光譜學(xué)技術(shù)將為研究基本現(xiàn)象提供新機(jī)會(huì)，比如電可調(diào)諧拓?fù)湎嘧兊目梢暬约跋嚓P(guān)電子相的摻雜效應(yīng)，這些都是具有挑戰(zhàn)性的。

博科園｜研究/來自：華威大學(xué)

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1402-1

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