یافتههای اخیر محققان نشان میدهد که الکترونها نقش مهمی در انتقال انرژی بین لایههای مواد نیمهرسانای دوبعدی تنگستن دیسلنید (WSe2) و دیسولفید تنگستن (WS2) بازی میکنند.
الکترونها نقش مهمی در انتقال انرژی بین لایههای مواد نیمهرسانا دارد
در آزمایشهایی که در آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC وزارت انرژی آمریکا انجام شد، این تیم از روشی بهنام پراش الکترون فوق سریع (UED) برای اندازهگیری دمای لایههای منفرد استفاده کردند.
نتایج این پروژه درک تازهای از اندازهگیریهای فوق سریع دما در مقیاس اتمی ارائه داد. آنها در این پروژه محاسبات نظری گستردهای را با هم ترکیب کردند. محققان دریافتند اگرچه لایهها به یکدیگر پیوند محکمی ندارند، اما الکترونها پلی بین آنها ایجاد میکنند که این موضوع انتقال سریع گرما را تسهیل میکند.
پراش الکترون فوق سریع بهعنوان یک “دوربین الکترونی” عمل میکرد که موقعیت اتمها را در هر لایه ثبت میکرد. با تغییر فاصله زمانی بین پالسهای تحریککننده و کاوشگر به میزان تریلیونم ثانیه، آنها میتوانستند دمای متغیر هر لایه را به طور مستقل دنبال کنند و با استفاده از شبیهسازیهای نظری، حرکات اتمی مشاهدهشده را به دما تبدیل کنند.
آرون لیندنبرگ، یکی از نویسندگان این مقاله در دانشگاه استنفورد، میگوید: «آنچه این رویکرد پراش الکترون فوق سریع را قادر میسازد، روش جدیدی برای اندازهگیری مستقیم دما در این ساختار ناهمسان پیچیده است. این لایهها فقط چند آنگستروم از هم فاصله دارند، و با این حال ما میتوانیم به طور انتخابی پاسخ آنها را بررسی کنیم و در نتیجه با تفکیک زمانی، میتوانیم در مقیاسهای زمانی اساسی چگونگی تقسیم انرژی بین این ساختارها را به روشی جدید بررسی کنیم.»
آنها دریافتند که لایه WSe2 همانطور که انتظار میرفت گرم شدند، اما در کمال تعجب آنها، لایه WS2 نیز گرم شد که نشاندهنده انتقال سریع گرما بین لایهها است. در مقابل، زمانی که آنها الکترونها را در WSe2 تحریک نکردند و به جای آن ساختار ناهمسان را با استفاده از یک لایه تماس فلزی گرم کردند، رابط بین WSe2 و WS2 گرما را بسیار ضعیف منتقل میکرد.
راجا میگوید: «بسیار شگفتانگیز بود که دیدیم دو لایه تقریباً بهطور همزمان پس از تحریک نوری گرم میشوند و ما را به درک عمیقتر آنچه در حال وقوع است، نزدیکتر کرد.»
این تیم برای درک مشاهدات خود، از محاسبات نظری، با استفاده از روشهای مبتنی بر نظریه تابعی چگالی برای مدلسازی نحوه رفتار اتمها و الکترونها در این سیستمها با پشتیبانی مرکز مطالعات محاسباتی پدیدههای حالت برانگیخته مواد انرژی (C2SEPEM)، استفاده کردند.
محققان محاسبات گستردهای از ساختار الکترونیکی لایه WSe2/WS2 دو بعدی و همچنین رفتار ارتعاشات شبکه در این لایهها را انجام دادند. مانند سنجابهایی که از یک جنگل عبور میکنند و میتوانند در امتداد مسیرهایی که توسط شاخهها تعریف شدهاند بدوند و گهگاهی بین آنها بپرند، الکترونهای موجود در یک ماده به حالتها و انتقالهای خاصی محدود میشوند و دانش آن ساختار الکترونیکی راهنمایی برای تفسیر فراهم میکند.
جونا هابر، محقق فوق دکتری در بخش علوم مواد در آزمایشگاه برکلی، گفت: «با استفاده از شبیهسازیهای کامپیوتری، ما کشف کردیم که الکترون در یک لایه در ابتدا به دلیل ارتعاشات شبکه میخواست به جاهایی مشخص پراکنده شود. ما دریافتیم که آنها میخواهد به این حالت ترکیبی پراکنده شوند نوعی “حالت چسب” که در آن الکترون در هر دو لایه بهطور همزمان آویزان هستند. ما ایده خوبی از اینکه این حالتهای چسب چگونه هستند داریم.
شبیهسازیهای دینامیک مولکولی در مقیاس بزرگ تأیید کردند که در غیاب «حالت چسب» الکترون مشترک، انتقال گرما از یک لایه به لایه دیگر بسیار طولانیتر طول میکشد.
