Excitons kan revolutionera hur ingenjörer närmar sig elektronik. Ett team av EPFL -forskare har skapat en ny typ av transistor - en av komponenterna i kretsar - med hjälp av excitoner istället för elektroner. I synnerhet, deras excitonbaserade transistor fungerar effektivt vid rumstemperatur, ett hittills oöverstigligt hinder. De uppnådde detta genom att använda två 2-D-material som halvledare. Deras studie, som publicerades idag i Natur , har många konsekvenser inom området excitonik, ett lovande nytt studieområde vid sidan om fotonik och spintronik.

"Vår forskning visade att genom att manipulera excitoner, vi hade kommit på en helt ny metod för elektronik, "säger Andras Kis, som leder EPFL:s Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures (LANES). "Vi bevittnar uppkomsten av ett helt nytt studieområde, hela omfattningen som vi ännu inte vet. "

Detta genombrott sätter scenen för optoelektroniska enheter som förbrukar mindre energi och är både mindre och snabbare än nuvarande enheter. Dessutom, det kommer att vara möjligt att integrera optiska överförings- och elektroniska databehandlingssystem i samma enhet, vilket kommer att minska antalet operationer som behövs och göra systemen mer effektiva.

Högre energinivå

Excitons är faktiskt kvasipartiklar, en term som används för att beskriva interaktionen mellan partiklarna som utgör en given substans snarare än själva ämnet. Excitoner består av en elektron och ett elektronhål. De två är bundna tillsammans när elektronen absorberar en foton och uppnår en högre energinivå; den "upphetsade" elektronen lämnar ett hål i den tidigare energinivån, som, i bandteori, kallas ett valensband. Det här hålet, också en kvasipartikel, är en indikation på den saknade elektronen i detta band.

Eftersom elektronen är negativt laddad och hålet positivt laddat, de två partiklarna förblir bundna av en elektrostatisk kraft. Denna bindning mellan elektronen och hålet kallas Coulomb -attraktion. Och det är i detta tillstånd av spänning och balans som de bildar en exciton. När elektronen äntligen faller tillbaka i hålet, den avger en foton. Och med det, excitonen upphör att existera. Enkelt uttryckt, en foton går in i ena änden av kretsen och kommer ut den andra; medan du är inne, det ger upphov till en exciton som fungerar som en partikel.

Dubbel framgång

Det är först nyligen som forskare har börjat titta på egenskaperna hos excitoner i samband med elektroniska kretsar. Energin i excitoner hade alltid ansetts vara för bräcklig och excitons livslängd för kort för att vara av något verkligt intresse för denna domän. Dessutom, excitoner kunde endast produceras och styras i kretsar vid extremt låga temperaturer (cirka -173 grader C).

Genombrottet kom när EPFL -forskarna upptäckte hur man kontrollerar excitonernas livslängd och hur man flyttar dem. De gjorde detta genom att använda två 2-D-material:volframdiselenid (WSe ₂ ) och molybden -disulfid (MoS ₂ ). "Excitonerna i dessa material uppvisar en särskilt stark elektrostatisk bindning och, ännu viktigare, de förstörs inte snabbt vid rumstemperatur, "förklarar Kis.

Forskarna kunde också förlänga excitonernas livslängd avsevärt genom att utnyttja det faktum att elektronerna alltid hittade sin väg till MoS ₂ medan hålen alltid hamnade i WSe ₂ . Forskarna höll excitonerna igång ännu längre genom att skydda halvledarskikten med bornitrid (BN).

"Vi skapade en speciell typ av exciton, där de två sidorna är längre ifrån varandra än i den konventionella partikeln, "säger Kis." Detta fördröjer processen där elektronen återvänder till hålet och ljus produceras. Det är vid denna tidpunkt, när excitonerna förblir i dipolform något längre, att de kan styras och flyttas runt med ett elektriskt fält. "