محققان دریافتند که الکترون‌ها نقش شگفت‌انگیزی در انتقال حرارت بین لایه‌های نیمه‌رسانا دارند.

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۳۱ ژانویه ۲۰۲۳
لینک منبع: Researchers Discover That Electrons Play a Surprising Role in Heat Transfer Between Layers of Semiconductors

یک پل الکترونیکی انتقال سریع انرژی بین نیمه‌هادی‌ها را تسهیل می‌کند.

محققان در حال بررسی کاربردهای بالقوه مواد دو بعدی (۲ بعدی) در ترانزیستورها و اپتوالکترونیک هستند، زیرا دستگاه‌های نیمه‌هادی همچنان کوچک‌تر می‌شوند. کنترل جریان الکتریسیته و گرما در این مواد برای عملکرد آن‌ها ضروری است، اما ابتدا درک عمیق‌تری از این رفتارها در مقیاس اتمی لازم است.

اکنون محققان دریافته‌اند که الکترون‌ها نقش شگفت‌انگیزی در انتقال انرژی بین لایه‌های مواد نیمه‌هادی دو بعدی WSe2 و WS2 دارند. علی‌رغم اینکه لایه‌ها پیوند محکمی ندارند، الکترون‌ها شکاف را پر می‌کنند و انتقال سریع گرما را تسهیل می‌کنند.

آرچانا راجا، دانشمند لارنس برکلی در دپارتمان انرژی، می‌گوید: «کار ما نشان می‌دهد که برای درک توده‌های مواد دو بعدی ناهمگون باید فراتر از قیاس بلوک‌های لگو برویم، حتی اگر لایه‌ها به شدت به یکدیگر متصل نیستند. آزمایشگاه ملی (آزمایشگاه برکلی)، که این مطالعه را رهبری کرد.

لایه‌های به ظاهر متمایز، در واقع از طریق مسیرهای الکترونیکی مشترک با هم ارتباط برقرار می‌کنند و به ما امکان می‌دهند به ویژگی‌هایی که بیشتر از مجموع قطعات هستند دسترسی داشته باشیم و در نهایت آن‌ها را طراحی کنیم.»

این مطالعه اخیراً در Nature Nanotechnology منتشر شده است و بینش‌هایی را از اندازه‌گیری‌های دما در مقیاس اتمی فوق سریع و محاسبات نظری گسترده ترکیب می‌کند.

آدیتیا سود، نویسنده اول این مطالعه و در حال حاضر یک دانشمند محقق در دانشگاه استنفورد، گفت: این آزمایش با سوالات اساسی در مورد حرکات اتمی در اتصالات در مقیاس نانو انجام شد، اما یافته‌ها پیامدهایی برای اتلاف انرژی در دستگاه‌های الکترونیکی آینده‌نگر دارند. کنجکاو بودیم که چگونه الکترون‌ها و ارتعاشات اتمی با جریان گرما بین دو ماده به یکدیگر متصل می‌شوند. با زوم کردن روی رابط با دقت اتمی، مکانیزم کارآمد شگفت‌آوری برای این جفت کشف کردیم.

یک دماسنج فوق سریع با دقت اتمی

محققان دستگاه‌های متشکل از تک لایه‌های WSe2 و WS2 را مطالعه کردند. این دستگاه‌ها توسط گروه راجا در ریخته‌گری مولکولی آزمایشگاه برکلی ساخته شده‌اند، که هنر استفاده از نوار اسکاچ را برای جدا کردن تک‌لایه‌های کریستالی نیمه‌رساناها که ضخامت هر کدام کم‌تر از یک نانومتر است، تکمیل کردند. با استفاده از مهرهای پلیمری تراز شده در زیر یک میکروسکوپ انباشته خانگی، این لایه‌ها روی هم قرار گرفتند و دقیقاً روی یک پنجره میکروسکوپی قرار گرفتند تا امکان انتقال الکترون‌ها از طریق نمونه فراهم شود.

در آزمایش‌هایی که در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده SLAC وزارت انرژی انجام شد، این تیم از تکنیکی به نام پراش الکترون فوق‌سریع (UED) برای اندازه‌گیری دمای لایه‌های جداگانه در حالی که الکترون‌ها را از نظر نوری فقط در لایه WSe2 برانگیختند، استفاده کردند. UED به‌عنوان یک «دوربین الکترونی» عمل می‌کرد و موقعیت اتم‌ها را در هر لایه ثبت می‌کرد. با تغییر فاصله زمانی بین پالس‌های تحریک و کاوشگر به میزان تریلیونم ثانیه، آن‌ها می‌توانستند دمای متغیر هر لایه را به‌طور مستقل دنبال کنند و با استفاده از شبیه‌سازی‌های نظری، حرکات اتمی مشاهده‌شده را به دما تبدیل کنند.

آرون لیندنبرگ، یکی از نویسندگان این مطالعه در دانشگاه استنفورد، گفت: «آنچه این رویکرد UED 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 می‌توانیم به‌طور انتخابی پاسخ آن‌ها را بررسی کنیم و در نتیجه 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 شد، اما در کمال تعجب آن‌ها لایه WS2 نیز پشت سر هم 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 کرد و گزارش‌های قبلی را تایید کرد.

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، برانگیخت.

یک «حالت چسبناک الکترونیکی» یک پل ایجاد می‌کند

برای درک مشاهدات خود، این تیم از محاسبات نظری، با استفاده از روش‌های مبتنی‌بر نظریه تابعی چگالی برای مدل‌سازی نحوه رفتار اتم‌ها و الکترون‌ها در این سیستم‌ها با پشتیبانی مرکز مطالعات محاسباتی پدیده‌های حالت برانگیخته در مواد انرژی (C2SEPEM)، یک DOE استفاده کردند. مرکز علوم محاسباتی مواد در آزمایشگاه برکلی تامین مالی شده است.

محققان محاسبات گسترده‌ای از ساختار الکترونیکی لایه‌لایه دو بعدی WSe2/WS2 و همچنین رفتار ارتعاشات شبکه در لایه‌ها انجام دادند. مانند سنجاب‌هایی که از یک تاج جنگل عبور می‌کنند، که می‌توانند در مسیرهایی که توسط شاخه‌ها تعریف شده‌اند بدود و گهگاهی بین آن‌ها بپرند، الکترون‌های موجود در یک ماده به حالت‌ها و انتقال‌های خاصی محدود می‌شوند (معروف به پراکندگی)، و دانش آن ساختار الکترونیکی راهنمایی برای تفسیر نتایج تجربی است.

جونا هابر، نویسنده اول این مطالعه و اکنون محقق فوق دکترا در بخش علوم مواد در آزمایشگاه برکلی، گفت: با استفاده از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، کشف کردیم که الکترون در یک لایه در ابتدا به دلیل ارتعاشات شبکه می‌خواست به کجا پراکنده شود. متوجه شدیم که می‌خواهد به این حالت ترکیبی پراکنده شود -نوعی «حالت چسبناک» که در آن الکترون در هر دو لایه به‌طور همزمان آویزان است. ما ایده خوبی داریم که اکنون این حالت‌های چسبناک چه شکلی هستند و نشانه‌های آن‌ها چیست و این به ما اجازه می‌دهد نسبتا با اطمینان بگوییم که سایر ساختارهای ناهمسان نیمه‌هادی دو بعدی نیز همین رفتار را خواهند داشت.

شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی در مقیاس بزرگ تأیید کردند که در غیاب «حالت چسبناک الکترونی» مشترک، انتقال گرما از یک لایه به لایه دیگر بسیار طولانی‌تر طول می‌کشد. این شبیه‌سازی‌ها عمدتاً در مرکز ملی محاسبات علمی تحقیقات انرژیNERSC) ) انجام شد.

فیلیپ دی جورنادا، یکی از نویسندگان از دانشگاه استنفورد، گفت: «الکترون‌ها در اینجا کار مهمی انجام می‌دهند: آن‌ها به‌عنوان پل‌هایی برای اتلاف گرما عمل می‌کنند. «اگر بتوانیم آن را درک و کنترل کنیم، یک رویکرد منحصر به فرد برای مدیریت حرارتی در دستگاه‌های نیمه‌هادی ارائه می‌دهد.»

این متن با استفاده از ربات ‌ترجمه مقالات تکنولوژی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.