Forskning som visas i ACS Nano avslöjar den ballistiska rörelsen av elektroner i grafen i realtid.

Observationerna som gjordes vid University of Kansas' Ultrafast Laser Lab kan leda till genombrott inom styrande elektroner i halvledare, grundläggande komponenter i de flesta informations- och energiteknologier.

"Allmänt sett avbryts elektronrörelser av kollisioner med andra partiklar i fasta ämnen", säger huvudförfattaren Ryan Scott, doktorand vid KU:s institution för fysik och astronomi.

"Detta liknar någon som springer i en balsal full av dansare. Dessa kollisioner är ganska frekventa - cirka 10 till 100 miljarder gånger per sekund. De saktar ner elektronerna, orsakar energiförlust och genererar oönskad värme. Utan kollisioner skulle en elektron röra sig oavbrutet inom ett fast, liknande bilar på en motorväg eller ballistiska missiler genom luften. Vi hänvisar till detta som 'ballistisk transport'."

Scott utförde labbexperimenten under mentorskap av Hui Zhao, professor i fysik och astronomi vid KU. De fick sällskap i arbetet av den tidigare KU-doktoranden Pavel Valencia-Acuna, nu postdoktor vid Northwest Pacific National Laboratory.

Zhao sa att elektroniska enheter som använder ballistisk transport potentiellt kan vara snabbare, kraftfullare och mer energieffektiva.

"Nuvarande elektroniska enheter, såsom datorer och telefoner, använder kiselbaserade fälteffekttransistorer," sa Zhao. "I sådana enheter kan elektroner bara driva med en hastighet i storleksordningen centimeter per sekund på grund av de frekventa kollisioner de möter. Den ballistiska transporten av elektroner i grafen kan utnyttjas i enheter med hög hastighet och låg energiförbrukning."

KU-forskarna observerade den ballistiska rörelsen i grafen, ett lovande material för nästa generations elektroniska enheter. Grafen, som upptäcktes för första gången 2004 och tilldelades Nobelpriset i fysik 2010, är ​​gjord av ett enda lager kolatomer som bildar en hexagonal gitterstruktur – ungefär som ett fotbollsnät.

"Elektroner i grafen rör sig som om deras "effektiva" massa är noll, vilket gör dem mer benägna att undvika kollisioner och röra sig ballistiskt, säger Scott. "Tidigare elektriska experiment, genom att studera elektriska strömmar som produceras av spänningar under olika förhållanden, har avslöjat tecken på ballistisk transport. Dessa tekniker är dock inte tillräckligt snabba för att spåra elektronerna när de rör sig."

Enligt forskarna är elektroner i grafen (eller någon annan halvledare) som elever som sitter i ett fullt klassrum, där eleverna inte kan röra sig fritt eftersom skrivborden är fulla. Laserljuset kan frigöra elektroner för att tillfälligt kunna utrymma ett skrivbord, eller "hål" som fysiker kallar dem.

"Ljus kan ge energi till en elektron för att frigöra den så att den kan röra sig fritt," sa Zhao. "Detta liknar att låta en elev resa sig och gå bort från sin plats. Men till skillnad från en laddningsneutral elev är en elektron negativt laddad. När elektronen har lämnat sin "säte" blir stolen positivt laddad och snabbt drar elektronen tillbaka, vilket resulterar i att inga mobila elektroner finns kvar – som att eleven sitter tillbaka."

På grund av denna effekt kan de superlätta elektronerna i grafen bara förbli rörliga i ungefär en biljondels sekund innan de faller tillbaka till sin plats. Denna korta tid utgör en allvarlig utmaning för att observera elektronernas rörelse. För att ta itu med detta problem designade och tillverkade KU-forskarna en konstgjord struktur i fyra lager med två grafenlager åtskilda av två andra enskiktsmaterial, molybdendisulfid och molybdendiselenid.

"Med den här strategin kunde vi styra elektronerna till ett grafenlager samtidigt som vi behöll deras "säten" i det andra grafenlagret, säger Scott. "Att separera dem med två lager av molekyler, med en total tjocklek på bara 1,5 nanometer, tvingar elektronerna att förbli rörliga i cirka 50 biljondelar av en sekund, tillräckligt länge för forskarna, utrustade med lasrar så snabba som 0,1 biljondelar av en sekund , för att studera hur de rör sig."

Forskarna använder en hårt fokuserad laserfläck för att frigöra några elektroner i provet. De spårar dessa elektroner genom att kartlägga provets "reflektans" eller procentandelen ljus de reflekterar.

"Vi ser de flesta föremål eftersom de reflekterar ljus till våra ögon," sa Scott.

"Ljusare föremål har större reflektans. Å andra sidan absorberar mörka föremål ljus, vilket är anledningen till att mörka kläder blir varma på sommaren. När en mobil elektron flyttar till en viss plats i provet gör det den platsen något ljusare genom att ändra hur Elektroner på den platsen interagerar med ljus. Effekten är mycket liten – även med allt optimerat ändrar en elektron bara reflektansen med 0,1 del per miljon."

För att upptäcka en så liten förändring frigjorde forskarna 20 000 elektroner på en gång, med hjälp av en sondlaser för att reflektera från provet och mäta denna reflektans, och upprepade processen 80 miljoner gånger för varje datapunkt. De fann att elektronerna i genomsnitt rör sig ballistiskt i cirka 20 biljondelar av en sekund med en hastighet på 22 kilometer per sekund innan de kör in i något som avslutar deras ballistiska rörelse.

Mer information: Ryan J. Scott et al, Spatiotemporal Observation of Quasi-Ballistic Transport of Electrons in Graphene, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c08816

Journalinformation: ACS Nano

Tillhandahålls av University of Kansas