(Phys.org) – Ett forskarlag vid University of Kansas har använt kraftfulla lasrar för att spåra hastigheten och rörelsen hos elektroner inuti ett innovativt material som bara är en atom tjockt. Deras resultat publiceras i det aktuella numret av ACS Nano , en peer-reviewed tidskrift fokuserad på nanovetenskap.
Arbetet vid KU:s Ultrafast Laser Lab kan hjälpa till att peka vägen till nästa generations transistorer och solpaneler av solida, atomärt tunna material.
"När det fasta materialet är ett tunt lager, elektroner är instängda i detta tunna lager, sa Hui Zhao, docent i fysik och astronomi, som leder laget. "En elektron som är fri att röra sig i två dimensioner beter sig väldigt annorlunda än de som rör sig i alla de tre dimensionerna. Den förändrar totalt hur elektroner interagerar med miljön. Under rätt förhållanden, elektroner som rör sig i två dimensioner är mindre benägna att kollidera med andra saker i det fasta, och därför störs deras rörelse mindre. Snabbare elektronrörelser leder ofta till bättre prestanda hos enheter."
För att övervaka elektronerna, Zhao och doktorander Qiannan Cui, Frank Ceballos och Nardeep Kumar skapade ett enatomslager av volframdisulfid, ett material som används i solceller och som smörjmedel.
KU-forskarna producerade det enda atomskiktet genom att använda "scotch tape-metoden" som först användes av forskare som arbetade vid University of Manchester för att skapa "grafen, "ett material som gav sina skapare Nobelpriset för fysik 2010.
"Volframdiselenid är ett av få atomärt tunna material som är kända för att vara stabila under omgivande förhållanden, " sa Zhao. "Vi har inte många val. De flesta material kan inte stanna i ett enatomärt lagerformat. De kommer att gå sönder eller konvertera till andra former."
När teamet skapade en enatomtjock flinga av volframdiselenid, de arrangerade cirka 100 speglar, linser och kristaller på ett vibrationsfritt bord för att skapa ett transient absorptionsmikroskop. Nästa, de fokuserade en ultrakort laserpuls-med en varaktighet på endast en tiondel av en miljarddel av en sekund-på provet. Hundratals elektroner i en yta på en kvadratmikrometer av materialet absorberade laserns energi och blev tillräckligt energiska för att röra sig fritt i provet.
"Deras rörelse liknar de där energiska barnen, förutom att de rör sig mycket snabbare och kolliderar mycket oftare, sa Zhao.
Teamets förmåga att spåra elektronernas rörelse och bestämma deras hastighet är det viktigaste genombrottet i undersökningen.
"För att följa rörelsen hos dessa energiska elektroner, vi använde en annan laserpuls för att spåra platsen för dessa elektroner vid varje miljarddels sekund tills de förlorade sin energi och slog sig ner, "Zhao sa." Mätningen upprepades 80 miljoner gånger per sekund automatiskt för att genomsnittet av bullret. Vi fann att elektronerna kolliderar med andra partiklar cirka 4 miljarder gånger per sekund, i genomsnitt."
Elektronernas hastighet i ett material är en av de viktigaste elektroniska egenskaperna, enligt forskaren.
"Det leder till snabbare drift i logiska enheter och datorer, högre effektivitet i solceller och bättre känslighet i sensorer, ", sa Zhao. "Att kunna mäta denna kvalitet är det första steget för att förstå eventuella begränsande faktorer och hur man kan förbättra dem. Andra forskare härleder elektronrörelse genom att mäta ström kontra spänning. Det är mindre direkt och kräver att halvledaren ansluts till elektroder. Detta kan vara mycket svårt för små och tunna prover. Vårt tillvägagångssätt är direkt och icke-invasivt."
Inte nöjd med att bara övervaka elektronernas aktivitet, Zhao och hans team hoppas kunna öka elektronernas prestanda för att åstadkomma mer effektiva, kraftfulla elektroniska enheter än den nuvarande generationen som använder silikon som transistormaterial.
"Vårt nästa mål längs denna linje är att hitta sätt att öka elektronhastigheten genom att till exempel, lägga de enkla skikten på ett mer lämpligt underlag eller modifiera materialet, "sa han." En annan riktning är att använda detta material, tillsammans med andra, att bilda nya, konstgjorda 3D-kristaller. Det är möjligt att sådana kristaller kommer att utvecklas under de närmaste åren, eftersom många grupper arbetar med det. Det är svårt att förutse när detta kan kommersialiseras. Detta är bara en potentiell lösning för att ersätta kisel för elektronikindustrin. Det nuvarande målet är att lära sig hur man förbättrar materialkvaliteten, minska kostnaderna och försöka förstå deras fördelar och nackdelar."
