電子結構的電門效應的首次可視化

上圖所示為收集並分析聚焦在二維半導體器件上的光束射出的電子，以確定當電極之間施加電壓時，材料中的電子結構如何變化。科學家首次將微電子器件中的電子結構可視化，為微調高性能電子器件提供了機會。

來自英國華威大學和華盛頓大學的物理學家們已經開發出一種技術，可以測量由原子層薄的所謂二維材料製成的微電子器件中電子的能量和動量。利用這些信息，他們可以創建材料電學和光學特性的視覺表示，以指導工程師最大限度地發揮其在電子元件中的潛力。

這項由實驗為主的研究近日發表在《自然Nature》雜誌上，也有助於為可能在下一代電子產品中發揮作用的二維半導體鋪平道路，這些半導體應用於光伏、移動設備和量子計算機等應用。

材料的電子結構描述了電子在該材料中的行為，因此也描述了流過該材料的電流的性質。這種行為可能因施加在材料上的電子上的「壓力」大小的電壓不同而不同，因此隨著電壓的變化，電子結構的變化決定了微電子電路的效率。

操作裝置中電子結構的這些變化是所有現代電子產品的基礎。然而，直到現在，還沒有辦法直接看到這些變化來幫助我們理解它們如何影響電子的行為。

通過應用這項技術，科學家們將獲得開發「微調」電子元件所需的信息，這些電子元件工作效率更高，性能更高，功耗更低。它還將有助於發展二維半導體，這種半導體被視為下一代電子產品的潛在元件，在柔性電子、光電和自旋電子學中有著廣泛的應用。與當今的三維半導體不同，二維半導體僅由幾層原子組成。

沃里克大學物理系的尼爾·威爾遜博士說：「電子結構如何隨電壓變化是決定計算機或電視中晶體管工作方式的因素。這是我們第一次直接看到這些變化。無法看到電壓如何變化是一個很大的缺失環節。這項工作是在基本層面上的，是理解材料及其背後的科學的一大步。

「對材料的新認識幫助我們了解了這些半導體的帶隙，這是影響它們行為的最重要參數，從它們發射的光波波長到它們如何在晶體管中轉換電流。」

該技術使用角度分辨光發射光譜（ARPES）來「激發」所選材料中的電子。通過將一束紫外線或X射線聚焦在一個局部區域的原子上，被激發的電子就被從原子中打出。然後，科學家可以測量電子的能量和運動方向，從中他們可以計算出它們在物質中的能量和動量（使用能量和動量守恆定律）。這就決定了材料的電子結構，然後可以將其與基於最先進的電子結構計算的理論預測進行比較，這種計算是由合著者Nicholas Hine博士的研究小組進行的。

在將石墨烯應用於二維過渡金屬二氯化鋁（TMD）半導體之前，研究小組首先用石墨烯測試了這項技術。這些測量是在義大利ELETTRA同步加速器的分光鏡光束線上進行的，並與Alexei Barinov博士及其團隊合作。

華盛頓大學物理系教授David Cobden博士說：「過去，了解電子在半導體器件中的作用的唯一方法就是將其電流電壓特性與複雜的模型進行比較。現在，由於最近的進展，使ARPES技術可以應用到微小的點上，再加上二維材料的出現，在這種材料的表面上，電子的作用是正確的，我們可以直接測量電子光譜的細節，並看到它在真實的時間裡是如何變化的。這將改變遊戲規則。」

華盛頓大學物理系和材料科學與工程系的Xiaodong博士說：「這種強大的光譜學技術將為研究基本現象提供新的機會，例如電可調諧拓撲結構的可視化。ASE轉變和摻雜對相關電子相的影響，這在其他方面具有挑戰性。」

來源：https://phys.org/news/2019-07-first-ever-visualizations-electrical-gating-effects.html

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