На представленной в этой статье иллюстрации визуализирован ряд процессов экситонного транспорта в материале Re6Se8Cl2 (N + 1; Jakhangirkhodja A. Tulyagankhodjaev et al. / Science). Совсем недавно группа американских физиков обнаружила уникальный физический эффект, который выражается в аномально высокой скорости передачи электрического тока в данном сверхатомном полупроводнике из класса ван-дер-ваальсовских материалов на порядок превышает аналогичные показатели других полупроводниковых структур. Данное преимущество обусловлено активным формированием акустических экситон-поляронных квазичастиц, которые служат переносчиками энергии и обладают устойчивостью к фононному рассеянию. Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Science.
Полупроводниковые технологии основаны на транспортировке носителей энергии и информации от источника к мишени, часто в форме электронов или экситонов — связанных электронно-дырочных пар. При комнатной температуре эти носители быстро рассеиваются из-за фононов в нанометровых и фемтосекундных масштабах. Это приводит к нагреву полупроводника и потерям переносимой энергии, фазовой когерентности и направленности, что накладывает строгие ограничения на скорость и эффективность всех полупроводниковых технологий. Чтобы преодолеть эти ограничения требуются полупроводники, которые поддерживают баллистический — без рассеяния — волнообразный поток энергии на макроскопические расстояния при комнатной температуре.
В 2018 году ученым удалось создать новый тип перспективного полупроводника, состоящего из атомных кластеров Re6Se8Cl2 (хлорид-селенид рения). Каждый кластер состоит из октаэдров, состоящих из шести атомов рения, которые вписанны в куб из атомов селена. По бокам кластеры связаны друг с другом ковалентными связями, а сверху и снизу кластеры [Re6Se8] ограничиваются атомами хлора. Друг с другом слои кластеров связаны довольно слабыми электронными связями. При этом сильная связь электронов с межкластерными оптическими фононами приводит к еще большему уплощению электронных зон при комнатной температуре.
В новой работе Джахангирходжа Туляганходжаев (Jakhangirkhodja A. Tulyagankhodjaev) и его коллеги из Колумбийского университета в Нью-Йорке показали, что в этом материале формируются акустические экситон-поляронные квазичастицы, в которых экситоны оказываются связаны с акустическими деформациями кристаллической решетки. Чтобы изучить распространения поляронов в кристалле, ученые использовали метод микроскопии сверхбыстрого стробоскопического рассеяния. Под действием импульса света в кристалле генерировались экситоны над запрещенной зоной, а затем при помощи широкопольного зонда обратного рассеяния с энергией 1,55 электронвольта — немного ниже электронной запрещенной зоны — определялось, как экситоны изменяют локальную поляризуемость кристалла в пространстве.
Определение характеристик поляронов в Re6Se8Cl2 . Jakhangirkhodja A. Tulyagankhodjaev et al. / Science
Отслеживая эволюцию энергетической функции экситонов после рождения и сопоставляя ее с измерениями оптического транспорта, физики подтвердили, что именно формирование поляронов влияет на наблюдаемое поведение переноса энергии в кристалле. Ученые отметили, что такие экситон-поляронные состояния оказались — хоть это и контринтуитивно — эффективно защищены от фононного рассеяния.
Дальнейшая разработка полупроводников с баллистическим волнообразным переносом энергии в двумерных материалах может привести к созданию наноэлектроники без потерь энергии.
Для любознательных: Аномально высокая скорость распространения энергии в сверхатомных полупроводниках и исследования в России
Суть физического феномена
В современной полупроводниковой индустрии существует фундаментальный барьер — фононное рассеяние. Когда свободные электроны или экситоны (связанные электронно-дырочные пары) перемещаются внутри кремния или арсенида галлия, они постоянно сталкиваются с тепловыми колебаниями кристаллической решётки (фононами). Это приводит к потере энергии (нагреву), снижению дрейфовой скорости носителей и ограничивает быстродействие транзисторов.
Открытием в области Sleep Tech физики твердого тела стало обнаружение аномально высокой скорости транспорта энергии в так называемых сверхатомных ван-дер-ваальсовых полупроводниках (в частности, в хемосинтезированном материале. Скорость переноса энергии в нем оказалась на порядок выше, чем в классических материалах, достигая околозвуковых масштабов при комнатной температуре.
Природа аномалии: Поляронный транспорт
«Сверхатомы» представляют собой кластеры из множества атомов, которые ведут себя как единый гигантский атом со своими квантовыми свойствами. В сверхатомной решетке экситоны связываются с акустическими фононами, образуя новые квазичастицы — акустические экситон-поляроны.
Механизм баллистического движения:
- Защита от рассеяния: Вместо того чтобы хаотично сталкиваться с решеткой и замедляться, полярон «оседлывает» акустическую волну.
- Баллистический режим: Переносчики энергии переходят в полубаллистический режим, двигаясь без тепловых потерь на относительно большие (в наномасштабах) расстояния.
- Скорость: Скорость транспорта энергии определяется не медленным дрейфом отдельных электронов (который в обычных условиях составляет миллиметры в секунду), а скоростью распространения самой поляронной волны, что делает данный полупроводник самым «быстрым» из известных при комнатной температуре.
Исследования в России: Ключевые направления
Российская академическая наука обладает сильной фундаментальной базой в области физики полупроводников, двумерных кристаллов и квазичастиц (поляронов и экситонов). Основные исследования ведутся в нескольких направлениях:
1. Теория поляронного и баллистического транспорта
Российская теоретическая школа (включая группы в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе) исторически занимает лидирующие позиции в описании сильного электрон-фононного взаимодействия.
- Исследуются математические модели поперечного баллистического транспорта электронов через квантоворазмерные структуры.
- Ведется расчет времени жизни и стабильности экситон-поляронов в анизотропных средах и ван-дер-ваальсовых гетероструктурах под воздействием внешних высокочастотных полей.
2. Синтез двумерных и кластерных материалов
Для создания сверхатомных структур требуются передовые методы нанотехнологий.
- В Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (Новосибирск) активно развиваются методы молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЕ) для выращивания ультратонких слоев и халькогенидных систем. Ученые исследуют двумерные полупроводники, которые служат базой для сборки ван-дер-ваальсовых материалов.
- Разрабатываются подходы по управлению электронными свойствами на границах раздела сред с помощью микроскопического рельефа подложек, что позволяет «направлять» движение носителей заряда.
3. Мезоскопическая физика и наноструктуры
Научные группы из МФТИ (Лаборатория топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах) и ИФТТ РАН (Черноголовка) активно изучают фундаментальные пределы транспорта в мезоскопических структурах. Хотя фокус часто смещен в сторону гибридных систем (сверхпроводник — нормальный металл/полупроводник), нарабатываемый инструментарий бесконтактной нанолитографии и низкотемпературного зондирования критически важен для измерения реальной скорости токовых сигналов на масштабах в несколько сотен нанометров.
4. Экситонная микроэлектроника и фотоника
Поскольку в сверхатомных полупроводниках основная энергия переносится преимущественно экситонами (светоиндуцированными парами), исследования тесно смыкаются с квантовой фотоникой.
- В Университете ИТМО (Санкт-Петербург) ведутся передовые работы по изучению поляритонов и экситонов в искусственных метаматериалах. Российские физики создают оптические чипы и транзисторы, где вместо электронов логические операции выполняют световые квазичастицы, что потенциально позволяет обойти ограничения кремниевой электроники по частоте и тепловыделению.
Сравнительный анализ перспективных материалов
| Материал | Механизм транспорта | Скорость / Эффективность | Ограничения |
|---|---|---|---|
| Кремний | Диффузный дрейф электронов | Низкая (высокое фононное рассеяние при 300 K | Физический предел миниатюризации и перегрева |
| Сверхатомы | Акустические экситон-поляроны | Аномально высокая (баллистическое движение) | Сложность масштабного синтеза, дефицитный рений |
| Графен | Баллистический транспорт электронов | Очень высокая | Отсутствие запрещенной зоны (сложно сделать транзистор) |
| ВТСП материалы (напр., купраты) | Куперовские пары (сверхпроводимость) | Идеальная проводимость (ноль сопротивления) | Требуют криогенного охлаждения |
Перспективы и вызовы
Главная цель ведущихся в России и мире исследований — создание коммерческой посткремниевой электроники. Поляронный транспорт в сверхатомных полупроводниках позволяет конструировать устройства, работающие на терагерцевых частотах без экстремального нагрева.
Однако перед российскими учеными стоит серьезный технологический вызов:
- Масштабирование: Необходимо перейти от лабораторного отшелушивания микроскопических чешуек ван-дер-ваальсовых кристаллов к промышленному синтезу пластин большой площади.
- Замещение компонентов: Поиск более доступных аналогов, поскольку рений является одним из самых редких и дорогих элементов на Земле. Отечественные лаборатории активно просчитывают аналогичные сверхатомные структуры на основе железа, кобальта и серы.
Автор: Дмитрий Рудик
Источник: https://nplus1.ru/
