研究 發(fā)表在納米科學(xué)和納米技術(shù)頂級期刊 ACS Nano 上，揭示了石墨烯中電子的實時彈道運動。

堪薩斯大學(xué)的觀察 超快激光實驗室可能會在控制半導(dǎo)體中的電子、半導(dǎo)體的基本組件方面帶來突破大多數(shù)信息和能源技術(shù)。

“一般來說，電子運動會因與固體中其他粒子的碰撞而中斷，”第一作者、堪薩斯大學(xué)物理與化學(xué)系博士生 Ryan Scott 說。天文學(xué)。 “這類似于有人在充滿舞者的舞廳里跑步。這些碰撞相當(dāng)頻繁——每秒大約 10 到 1000 億次。它們會減慢電子速度，導(dǎo)致能量損失并產(chǎn)生不需要的熱量。如果沒有碰撞，電子將在固體內(nèi)不間斷地移動，類似于高速公路上的汽車或空中的彈道導(dǎo)彈。我們將此稱為“彈道運輸”。”

斯科特在物理學(xué)和物理學(xué)教授趙輝的指導(dǎo)下進(jìn)行了實驗室實驗。 KU 的天文學(xué)。前堪薩斯大學(xué)博士生 Pavel Valencia-Acuna 加入了他們的工作，他現(xiàn)在是西北太平洋國家實驗室的博士后研究員。

趙說，利用彈道運輸?shù)碾娮釉O(shè)備可能會更快、更強大、更節(jié)能。

“當(dāng)前的電子設(shè)備，例如計算機和電話，都使用硅基場效應(yīng)晶體管，”趙說。 “在此類設(shè)備中，由于電子頻繁發(fā)生碰撞，它們只能以每秒厘米數(shù)量級的速度漂移。石墨烯中電子的彈道傳輸可用于速度快、能耗低的設(shè)備。”

堪薩斯大學(xué)的研究人員觀察了石墨烯的彈道運動，石墨烯是下一代電子設(shè)備的一種有前途的材料。石墨烯于 2004 年首次被發(fā)現(xiàn)，并于 2010 年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯由單層碳原子組成，形成六方晶格結(jié)構(gòu)，有點像足球網(wǎng)。

斯科特說：“石墨烯中的電子的移動就好像它們的‘有效’質(zhì)量為零一樣，這使得它們更有可能避免碰撞并以彈道方式移動。” “之前的電實驗通過研究不同條件下電壓產(chǎn)生的電流，揭示了彈道傳輸?shù)嫩E象。然而，這些技術(shù)的速度不夠快，無法追蹤電子的移動。”

研究人員表示，石墨烯(或任何其他半導(dǎo)體)中的電子就像坐在一間滿員的教室里的學(xué)生，由于課桌已滿，學(xué)生無法自由走動。激光可以釋放電子，暫時騰出桌子，或者物理學(xué)家所說的“洞”。

“光可以為電子提供能量以釋放電子，使其可以自由移動，”趙說。 “這類似于允許學(xué)生站起來離開座位。然而，與電荷中性的學(xué)生不同，電子帶負(fù)電。一旦電子離開它的‘座位’，座位就會帶正電，并迅速將電子拖回來，導(dǎo)致電子不再移動——就像學(xué)生坐回去一樣。”

由于這種效應(yīng)，石墨烯中的超輕電子在回落到其位置之前只能保持約萬億分之一秒的移動時間。這么短的時間對觀察電子的運動提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，堪薩斯大學(xué)的研究人員設(shè)計并制造了一種四層人造結(jié)構(gòu)，其中兩個石墨烯層被另外兩種單層材料(二硫化鉬和二硒化鉬)隔開。

“通過這種策略，我們能夠?qū)㈦娮右龑?dǎo)到一個石墨烯層，同時將它們的‘座位’保留在另一個石墨烯層中，”斯科特說。 “用總厚度僅為 1.5 納米的兩層分子將它們分開，迫使電子保持移動約 50 萬億分之一秒，對于研究人員來說足夠長了，因為配備了快至 0.1 萬億分之一秒的激光，研究它們?nèi)绾我苿印?rdquo;

研究人員使用緊密聚焦的激光點來釋放樣品中的一些電子。他們通過繪制樣品的“反射率”或它們反射的光的百分比來追蹤這些電子。