Forskare har visualiserat den elektroniska strukturen i en mikroelektronisk enhet för första gången, öppnar upp möjligheter för finjusterade högpresterande elektroniska enheter.

Fysiker från University of Warwick och University of Washington har utvecklat en teknik för att mäta energin och rörelsemängden hos elektroner i drift av mikroelektroniska enheter gjorda av atomärt tunna, så kallade tvådimensionella, material.

Med hjälp av denna information, de kan skapa visuella representationer av materialens elektriska och optiska egenskaper för att vägleda ingenjörer i att maximera deras potential i elektroniska komponenter.

Den experimentellt ledda studien publiceras i Natur idag (17 juli) och kan också bidra till att bana väg för de tvådimensionella halvledare som sannolikt kommer att spela en roll i nästa generations elektronik, i applikationer som solceller, mobila enheter och kvantdatorer.

Den elektroniska strukturen av ett material beskriver hur elektroner beter sig i det materialet, och därför arten av strömmen som flyter genom den. Det beteendet kan variera beroende på spänningen - mängden "tryck" på dess elektroner - som appliceras på materialet, och så bestämmer förändringar i den elektroniska strukturen med spänning effektiviteten hos mikroelektroniska kretsar.

Dessa förändringar i elektronisk struktur i driftenheter är det som ligger till grund för all modern elektronik. Tills nu, dock, det har inte funnits något sätt att direkt se dessa förändringar för att hjälpa oss förstå hur de påverkar elektronernas beteende.

Genom att tillämpa denna teknik kommer forskare att få den information de behöver för att utveckla "finjusterade" elektroniska komponenter som fungerar mer effektivt och arbetar med hög prestanda med lägre strömförbrukning. Det kommer också att hjälpa till i utvecklingen av tvådimensionella halvledare som ses som potentiella komponenter för nästa generations elektronik, med tillämpningar inom flexibel elektronik, solceller, och spintronik. Till skillnad från dagens tredimensionella halvledare, tvådimensionella halvledare består av bara några lager av atomer.

Dr Neil Wilson från University of Warwicks institution för fysik sa:"Hur den elektroniska strukturen förändras med spänning är det som avgör hur en transistor i din dator eller TV fungerar. För första gången visualiserar vi dessa förändringar direkt. Att inte kunna se hur förändringar med spänningar var en stor felande länk. Detta arbete är på den grundläggande nivån och är ett stort steg i att förstå material och vetenskapen bakom dem.

"Den nya insikten om materialen har hjälpt oss att förstå bandgaperna i dessa halvledare, vilket är den viktigaste parametern som påverkar deras beteende, från vilken våglängd av ljus de sänder ut, till hur de växlar ström i en transistor."

Tekniken använder vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) för att "excitera" elektroner i det valda materialet. Genom att fokusera en stråle av ultraviolett eller röntgenljus på atomer i ett lokaliserat område, de exciterade elektronerna slås ut ur sina atomer. Forskare kan sedan mäta energin och färdriktningen för elektronerna, från vilken de kan räkna ut den energi och momentum de hade i materialet (med hjälp av lagarna för bevarande av energi och momentum). Det bestämmer materialets elektroniska struktur, som sedan kan jämföras med teoretiska förutsägelser baserade på toppmoderna elektroniska strukturberäkningar utförda i detta fall av forskargruppen till medförfattaren Dr Nicholas Hine.

Teamet testade först tekniken med grafen innan den applicerades på tvådimensionella övergångsmetalldikalkogenid (TMD) halvledare. Mätningarna gjordes vid Spectromicroscopy beamline vid ELETTRA synkrotron i Italien, i samarbete med Dr Alexei Barinov och hans grupp där.

Dr David Cobden, professor vid institutionen för fysik vid University of Washington, sa:"Det brukade vara så att det enda sättet att lära sig om vad elektronerna gör i en fungerande halvledarenhet var att jämföra dess strömspänningsegenskaper med komplicerade modeller. Nu, tack vare de senaste framstegen som gör att ARPES-tekniken kan tillämpas på små fläckar, kombinerat med tillkomsten av tvådimensionella material där den elektroniska handlingen kan vara direkt på ytan, vi kan direkt mäta det elektroniska spektrumet i detalj och se hur det förändras i realtid. Detta förändrar spelet."

Dr Xiaodong Xu, från Institutionen för fysik och Institutionen för materialvetenskap och teknik vid University of Washington, sa:"Denna kraftfulla spektroskopiteknik kommer att öppna nya möjligheter att studera grundläggande fenomen, såsom visualisering av elektriskt inställbar topologisk fasövergång och dopningseffekter på korrelerade elektroniska faser, som annars är utmanande."