اكتشف الباحثون أن الإلكترونات تلعب دورًا مفاجئًا في انتقال الحرارة بين طبقات أشباه الموصلات
يستكشف الباحثون التطبيقات المحتملة للمواد ثنائية الأبعاد (2D) في الترانزستورات والإلكترونيات الضوئية، حيث تستمر أجهزة أشباه الموصلات في أن تصبح أصغر.
يعد التحكم في تدفق الكهرباء والحرارة في هذه المواد أمرًا ضروريًا لوظائفها، ولكن يلزم أولاً فهم أعمق لهذه السلوكيات على المستوى الذري.
وجد الباحثون الآن أن الإلكترونات تلعب دورًا مفاجئًا في نقل الطاقة بين طبقات مواد أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد WSe2 وWS2.
على الرغم من عدم ارتباط الطبقات بإحكام، فإن الإلكترونات تسد الفجوة وتسهل النقل السريع للحرارة.
أركانا رجا من مختبر بيركلي في المسبك الجزيئي
أتقن فريق Raja في Molecular Foundry فن تصنيع الأجهزة من أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد لاستكشاف السلوك غير العادي للإلكترونات والحرارة في هذه المواد الغريبة. الائتمان: مارلين سارجنت / مختبر بيركلي
قال أرشانا راجا، العالِم في وزارة الطاقة، لورانس بيركلي، “يُظهر عملنا أننا بحاجة إلى تجاوز تشبيه كتل الليغو لفهم مجموعات المواد ثنائية الأبعاد المتباينة، على الرغم من أن الطبقات ليست مرتبطة ببعضها البعض بقوة”.
المختبر الوطني (بيركلي لاب) الذي قاد الدراسة.
“إن الطبقات التي تبدو مميزة، في الواقع، تتواصل من خلال المسارات الإلكترونية المشتركة، مما يسمح لنا بالوصول إلى خصائص أكبر من مجموع الأجزاء وتصميمها في النهاية.”
ظهرت الدراسة مؤخرًا في Nature Nanotechnology وتجمع بين رؤى من قياسات فائقة السرعة ودرجة الحرارة على النطاق الذري وحسابات نظرية واسعة النطاق.
قال أديتيا سود، المؤلف الأول المشارك للدراسة والذي يعمل حاليًا باحثًا في جامعة ستانفورد: “كانت هذه التجربة مدفوعة بأسئلة أساسية حول الحركات الذرية في الوصلات الالنانوية،كن النتائج لها آثار على تبديد الطاقة في الأجهزة الإلكترونية المستقبلية”.”
.نا فضوليين حول كيفية تزاوج الإلكترونات والاهتزازات الذرية مع بعضها البعض عندما تتدفق الحرارة بين مادتين. من خلال تكبير الواجهة بدقة ذرية، اكتشفنا آلية فعالة بشكل مدهش لهذا الاقتران “.
مقياس حرارة فائق السرعة مع دقة ذرية
درس الباحثون أجهزة تتكون من طبقات أحادية مكدسة من WSe2 وWS2.
تم تصنيع الأجهزة من قبل فريق Raja في مسبك الجزيئات في Berkeley Lab ، الذي أتقن فن استخدام شريط سكوتش لفك الطبقات الأحادية البلورية لأشباه الموصلات، كل منها أقل من نانومتر في السماكة.
باستخدام طوابع بوليمر محاذاة تحت مجهر تكديس محلي الصنع، تم ترسيب هذه الطبقات فوق بعضها البعض ووضعها بدقة فوق نافذة مجهرية لتمكين انتقال الإلكترونات عبر العينة.
من اليسار، كان آرون ليندنبرغ وأديتيا سود وفيليبي جورنادا من جامعة ستانفورد من بين العلماء الذين اكتشفوا آلية عالية الكفاءة لنقل الطاقة بين المواد ثنائية الأبعاد. الائتمان: جاكلين رامسير أوريل / مختبر التسريع الوطني SLAC
في التجارب التي أجريت في مختبر المسرع الوطني SLAC التابع لوزارة الطاقة، استخدم الفريق تقنية تعرف باسم حيود الإلكترون فائق السرعة (UED) لقياس درجات حرارة الطبقات الفردية مع إثارة الإلكترونات بصريًا في طبقة WSe2 فقط. كانت UED بمثابة “كاميرا إلكترونية” “تلتقط مواقع الذرة داخل كل طبقة.
من خلال تغيير الفاصل الزمني بين الإثارة وسبر النبضات بمقدار تريليون من الثانية، يمكنهم تتبع درجة الحرارة المتغيرة لكل طبقة بشكل مستقل، باستخدام المحاكاة النظرية لتحويل الحركات الذرية المرصودة إلى درجات حرارة.
قال آرون ليندنبيرج ، مؤلف مشارك في الدراسة في جامعة ستانفورد: “ما يمكّنه نهج UED هذا هو طريقة جديدة لقياس درجة الحرارة بشكل مباشر ضمن هذه البنية غير المتجانسة المعقدة”.
“هذه الطبقات ليست سوى بضع أنجستروم متباعدة، ومع ذلك يمكننا أن نسبر استجابتها بشكل انتقائي، وكنتيجة لتحليل الوقت، يمكننا التحقيق في المقاييس الزمنية الأساسية في كيفية مشاركة الطاقة بين هذه الهياكل بطريقة جديدة.”
ووجدوا أن طبقة WSe2 تسخن، كما هو متوقع، ولكن لدهشتهم، تم تسخين طبقة WS2 أيضًا جنبًا إلى جنب، مما يشير إلى انتقال سريع للحرارة بين الطبقات.
على النقيض من ذلك، عندما لا يثيرون الإلكترونات في WSe2 ويقومون بتسخين البنية غير المتجانسة باستخدام طبقة تلامس معدنية بدلاً من ذلك، فإن الواجهة بين WSe2 وWS2 تنقل الحرارة بشكل سيء للغاية، مما يؤكد التقارير السابقة.
قال رجا: “كان من المدهش للغاية أن نرى الطبقتين تسخن في وقت واحد تقريبًا بعد الإثارة الضوئية وقد حفزنا ذلك على التركيز على فهم أعمق لما كان يحدث”.
“حالة الغراء” الإلكترونية تخلق جسراً
لفهم ملاحظاتهم، استخدم الفريق حسابات نظرية، باستخدام طرق تعتمد على نظرية الكثافة الوظيفية لنمذجة كيف تتصرف الذرات والإلكترونات في هذه الأنظمة بدعم من مركز الدراسات الحسابية لظواهر الحالة المثارة في مواد الطاقة (C2SEPEM)، وزارة الطاقة.
– مركز علوم المواد الحاسوبية الممول في مختبر بيركلي.
جونا هابر. الائتمان: نعمان بايا
أجرى الباحثون حسابات مكثفة للبنية الإلكترونية للطبقات ثنائية الأبعاد WSe2 / WS2، بالإضافة إلى سلوك اهتزازات الشبكة داخل الطبقات
. مثل السناجب التي تجتاز مظلة غابة، والتي يمكنها الركض على طول المسارات التي تحددها الفروع والقفز بينها في بعض الأحيان، تقتصر الإلكترونات في مادة ما على حالات وانتقالات معينة (تُعرف باسم التشتت)، وتوفر معرفة ذلك الهيكل الإلكتروني دليلاً لتفسير نتائج تجريبية.
قال جونا هابر، المؤلف الأول المشارك في الدراسة، وهو الآن باحث ما بعد الدكتوراه في قسم علوم المواد في مختبر بيركلي: “باستخدام المحاكاة الحاسوبية، اكتشفنا أين أراد الإلكترون في طبقة واحدة في البداية أن يتشتت بسبب الاهتزازات الشبكية”.
“وجدنا أنه يريد التشتت إلى هذه الحالة الهجينة – نوع من” حالة الغراء “حيث يتدلى الإلكترون في كلتا الطبقتين في نفس الوقت.
لدينا فكرة جيدة عما تبدو عليه هذه الحالات اللاصقة الآن وما هي توقيعاتها وهذا يتيح لنا أن نقول بثقة نسبيًا أن الهياكل غير المتجانسة الأخرى ثنائية الأبعاد لأشباه الموصلات ستتصرف بنفس الطريقة “.
أكدت عمليات محاكاة الديناميكيات الجزيئية واسعة النطاق أنه في غياب “حالة الغراء” الإلكترونية المشتركة، تستغرق الحرارة وقتًا أطول بكثير للانتقال من طبقة إلى أخرى.
أجريت هذه المحاكاة في المقام الأول في المركز الوطني للحوسبة العلمية لأبحاث الطاقة (NERSC).
قال فيليب دي جورنادا ، مؤلف مشارك من جامعة ستانفورد: “إن الإلكترونات هنا تفعل شيئًا مهمًا: فهي تعمل كجسور لتبديد الحرارة”. “إذا تمكنا من فهم ذلك والتحكم فيه، فإنه يوفر نهجًا فريدًا للإدارة الحرارية في أجهزة أشباه الموصلات.”
المصدر: scitechdaily
شاهد المزيد:
