科学家发明新型半导体激发技术

科学家发明新型半导体激发技术横滨国立大学的科学家和加州理工学院的同事利用高强度、宽频带的超快太赫兹脉冲，在一种二维半导体材料中实现了原子激发，推动了电子设备的发展。他们的论文于3月19日发表在《应用物理通讯》（AppliedPhysicsLetters）杂志上，并作为编辑推荐文章。二维（2D）材料或片状纳米材料因其独特的电子特性而成为未来半导体应用的理想平台。过渡金属二掺杂物（TMDs）是二维材料中的一个重要类别，由夹在掺杂物原子层之间的过渡金属原子层组成。这些原子以晶格结构排列，可以围绕其平衡位置振动或振荡--这种集体激发被称为相干声子，在决定和控制材料特性方面起着至关重要的作用。声波诱导技术的创新传统上，相干声子由可见光和近红外区域的超短脉冲激光器诱导。使用其他光源的方法仍然有限。横滨国立大学工程科学研究生院助理教授、该研究的第一作者SatoshiKusaba说："我们的研究解决了超快太赫兹频率激光器（或低能光子）如何在TMD材料中诱导相干声子这一基本问题。"WSe2中声子的超快宽带太赫兹激发和偏振旋转探测示意图。获得的结果（右下）包括通过和频过程激发的相干声子振荡信号（右上）。资料来源：SatoshiKusaba/横滨国立大学太赫兹辐射是指频率在太赫兹范围内的电磁波，介于微波和红外频率之间。研究小组制备了超快宽带太赫兹脉冲，以诱导一种名为WSe2的TMD薄膜中的相干声子动力学。为检测光学各向异性（换句话说，即光在穿过材料时的表现），研究人员安排了一套精确而灵敏的装置。研究人员研究了超短激光脉冲与材料相互作用时电场方向的变化；这些变化被称为偏振旋转。通过仔细观察微小的诱导光学各向异性，研究小组成功地探测到了太赫兹脉冲诱导的声子信号。"我们的研究最重要的发现是，太赫兹激发可以通过一个独特的和频激发过程在TMD中诱导相干声子，"研究时的加州理工学院博士生、本研究的共同第一作者Haw-WeiLin说。"这种机制与共振和线性吸收过程有着本质区别，它涉及两个太赫兹光子的能量总和与声子模式的能量总和相匹配"。由于通过这种和频过程可以激发的声子模式的对称性完全不同于更典型的共振线性过程，因此本研究中成功使用的激发过程对于完全控制材料中的原子运动非常重要。这项研究成果的意义超出了基础研究的范畴，有望在现实世界中得到广泛应用。"通过和频激发过程，我们可以利用太赫兹激发相干地控制二维原子位置，"Kusaba说。"这可能为控制TMD的电子状态打开大门，这对于开发谷电技术和使用TMD的电子设备，实现低功耗、高速计算和专用光源，是大有可为的"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430619.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430619.htm

新成像技术揭示有机半导体中的激子动力学 带来改进能量转换材料的潜力

新成像技术揭示有机半导体中的激子动力学带来改进能量转换材料的潜力图示：光激发有机半导体"巴克明斯特富勒烯"两个分子中的电子。新形成的激子（如亮点所示）首先分布在两个分子上，然后才落在一个分子上（如图中右侧所示）。资料来源：AndreasWindischbacher新的成像技术揭示了有机半导体中的激子动力学，有助于深入了解其量子特性和改进能量转换材料的潜力。WiebkeBennecke。图片来源：FotostudioRomanBrodel/Braunschweig哥廷根大学、格拉茨大学、凯泽斯劳滕-朗道大学和格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的研究人员现在首次非常快速、非常精确地拍摄到了这些激子的图像--事实上，精确度达到了四十亿分之一秒（0.000,000,000,000,001s）和十亿分之一米（0.000,000,001m）。这种认识对于开发更高效的有机半导体材料至关重要。相关成果最近发表在科学杂志《自然通讯》上。了解激子动力学当光线照射到材料上时，一些电子会吸收能量，从而进入激发态。在有机半导体（如有机发光二极管中使用的半导体）中，这些受激电子和剩余"空穴"之间的相互作用非常强烈，电子和空穴不再能被描述为单独的粒子。相反，带负电荷的电子和带正电荷的空穴结合成对，称为激子。长期以来，从理论和实验角度理解有机半导体中这些激子的量子力学特性一直被认为是一项重大挑战。MatthijsJansen博士。图片来源：ChristinaMöller新方法揭示了这一难题。该研究的第一作者、哥廷根大学物理学家WiebkeBennecke解释说："利用我们的光发射电子显微镜，我们可以发现激子内部的吸引力极大地改变了它们的能量和速度分布。我们以极高的时间和空间分辨率测量了这些变化，并将它们与量子力学的理论预测进行了比较"。研究人员将这种新技术称为光发射激子层析成像技术。其背后的理论是由格拉茨大学的PeterPuschnig教授领导的团队开发的。半导体研究进展这项新技术使科学家们首次能够测量和观察激子的量子力学波函数。简单地说，波函数描述了激子的状态，并决定了其存在的概率。哥廷根大学的MatthijsJansen博士解释了这一发现的意义："我们研究的有机半导体是由60个碳原子组成的球形排列的富勒烯。问题是激子是否总是位于单个分子上，还是可以同时分布在多个分子上。这一特性会对太阳能电池中半导体的效率产生重大影响。"斯特凡-马蒂亚斯教授。图片来源：StefanMathias光发射激子层析技术提供了答案：激子在光的作用下产生后，立即分布在两个或更多的分子上。然而，在几个飞秒内，也就是在一秒钟的极小部分内，激子就会缩回到单个分子。未来，研究人员希望利用这种新方法记录激子的行为。哥廷根大学的斯特凡-马蒂亚斯（StefanMathias）教授认为，这很有潜力："例如，我们希望了解分子的相对运动如何影响材料中激子的动力学。这些研究将有助于我们了解有机半导体的能量转换过程。我们希望这些知识将有助于开发更高效的太阳能电池材料"。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424837.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424837.htm

“超原子”材料击败硅 成为有史以来能量传输速度最快的半导体材料

“超原子”材料击败硅成为有史以来能量传输速度最快的半导体材料现在，哥伦比亚大学的科学家们发现了一种新型半导体材料，其性能似乎优于其他所有材料。这种材料被称为Re6Se8Cl2，由铼、硒和氯混合组成，这些原子聚集在一起，表现得像一个大原子--一种"超级原子"。这就是它的速度来源。在任何材料中，原子结构都会产生微小的振动，这些振动以量子粒子（称为声子）的形式传播，可以散射电子或激子等载能粒子。这种能量很快就会以热量的形式散失，而管理这种能量是设计电子芯片和系统的一个长期障碍。但Re6Se8Cl2有一个巧妙的特点。它的激子在受到声子撞击时不会散射，而是会与声子结合，从而产生另一种形式的准粒子--声激子-极子。这些激子仍然可以携带能量，但传播速度比普通激子慢得多--与直觉相反，这最终导致了比硅更快的速度。研究小组将其比作龟兔赛跑的老故事。电子在硅中的传播速度非常快，但它们往往会四处弹跳，这并不是最有效的传播路径。另一方面，Re6Se8Cl2中的极子速度较慢，而且不受其他声子的影响，因此它们移动得更远，时间也更稳定。实际上，研究小组发现Re6Se8Cl2中的极子移动速度是硅中电子移动速度的两倍。考虑到它们可以由光而不是电来控制，研究小组估计，使用这种材料制造的理论电子设备最终会比现有设备快六个数量级。这项研究的作者米兰-德洛尔（MilanDelor）说："就能量传输而言，Re6Se8Cl2是我们所知的最好的半导体，至少到目前为止是这样。"遗憾的是，不要指望你的电脑很快就能用上这种材料制造的超快处理器--研究小组表示，这种特殊的混合物不太可能进入市场。对于消费品来说，铼实在是太稀有、太昂贵了。但在证明了这一概念后，研究人员相信，类似的、希望更便宜的材料可能会表现出同样的行为。德洛尔说："我们现在可以开始预测还有哪些材料可能具有我们以前没有考虑过的这种特性。有一大批超原子和其他二维半导体材料具有有利于声学极子形成的特性。"这项研究发表在《科学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1393651.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1393651.htm

光子极化：聚变技术的下一个突破？

光子极化：聚变技术的下一个突破？最近，普林斯顿等离子体物理实验室的研究人员发现，光子的基本特性之一--极化是拓扑性的，这意味着即使光子在各种材料和环境中转换，它也保持不变。这些发现发表在《物理评论D》上，可能会带来更有效的等离子体加热技术和核聚变研究的进步。偏振是电场在光子周围移动时的方向--向左或向右。根据基本物理定律，光子的偏振决定了它的传播方向，并限制了它的传播路径。因此，仅由具有单一偏振类型的光子组成的光束无法传播到特定空间的每一部分。这项研究的共同作者、美国能源部（DOE）PPPL首席研究物理学家HongQin说："对光子的基本性质有了更准确的了解，科学家们就能设计出更好的光束，用于加热和测量等离子体。"光子（构成光的粒子）扰动等离子体的艺术家概念图。资料来源：KylePalmer/PPPL通讯部简化复杂问题对光子的研究是解决一个更大、更难的问题的手段--如何利用强光束激发等离子体中的持久扰动，从而帮助维持核聚变所需的高温。这些扰动被称为拓扑波，通常发生在两个不同区域的边界，比如等离子体和托卡马克外缘的真空。它们并不特别奇特--它们自然出现在地球大气中，帮助产生厄尔尼诺现象，这是太平洋中暖水的聚集，会影响北美和南美的天气。要在等离子体中产生这些波，科学家必须对光有更深入的了解--具体来说，就是微波炉中使用的那种射频波--物理学家已经用它来加热等离子体。Qin说："我们正试图为核聚变寻找类似的波。它们不容易被阻止，因此如果我们能在等离子体中产生它们，就能提高等离子体加热的效率，帮助创造核聚变的条件。这项技术类似于敲钟。就像用锤子敲钟会使金属移动从而产生声音一样，科学家们希望用光敲击等离子体，使它以某种方式摆动，从而产生持续的热量。"揭示光子运动的本质除了发现光子的偏振是拓扑性的，科学家们还发现光子的旋转运动无法分为内部和外部两个部分。联想到地球：它既自转产生昼夜，又绕太阳运行产生四季。这两种运动通常互不影响，例如，地球绕地轴的自转并不取决于它绕太阳的公转。事实上，所有有质量的物体的转动运动都可以这样分开。然而，对于像光子这样没有质量的粒子来说，这种情况是否属实还不清楚。论文第一作者、普林斯顿大学等离子体物理学项目研究生埃里克-帕尔默杜卡（EricPalmerduca）说："大多数实验人员都认为，光的角动量可以分成自旋角动量和轨道角动量。然而，理论家们一直在争论进行这种拆分的正确方法，或者是否有可能进行这种拆分。我们的工作有助于解决这一争论，表明光子的角动量无法被拆分成自旋和轨道成分。"此外，Palmerduca和Qin还确定，由于光子的拓扑特性、不变特性（如偏振），这两个运动分量无法拆分。这一新奇发现对实验室产生了影响。帕尔默杜卡说："这些结果意味着，我们需要更好的理论来解释实验中发生的事情。"这些发现提供了对光的行为的见解，进一步推动了研究人员为核聚变研究创造拓扑波的目标。对理论物理学的启示帕尔默杜卡指出，光子的发现证明了PPPL在理论物理学方面的优势。这些发现与一个被称为毛球定理的数学结果有关。"该定理指出，如果你有一个布满毛发的球，你不可能把所有的毛发都梳平，物理学家认为这意味着不可能有一个光源同时向所有方向发送光子，"帕尔默杜卡说。然而，他和秦发现这是不正确的，因为该定理在数学上没有考虑到光子电场可以旋转。帕尔默杜卡称尤金-维格纳是20世纪最重要的理论物理学家之一。维格纳意识到，利用从阿尔伯特-爱因斯坦相对论中得出的原理，他可以描述宇宙中所有可能的基本粒子，甚至是那些尚未被发现的粒子。但是，虽然他的分类系统对有质量的粒子是准确的，但对无质量的粒子（如光子）却产生了不准确的结果。"Qin和我证明，利用拓扑学，我们可以修改维格纳对无质量微粒的分类，给出一个同时适用于所有方向的光子描述。"未来方向在未来的研究中，Qin和帕尔默杜卡计划探索如何创造有益的拓扑波来加热等离子体，而不制造无益的品种来抽走热量："一些有害的拓扑波可能会在无意中被激发，我们希望了解它们，以便将它们从系统中移除。从这个意义上说，拓扑波就像新品种的昆虫，有些对花园有益，有些则是害虫。"同时，他们对目前的发现感到兴奋。"我们对有助于激发拓扑波的光子有了更清晰的理论认识，"Qin说。"现在是时候建造一些东西了，这样我们就可以利用它们来寻求聚变能。"编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434064.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434064.htm

龟兔赛跑的量子版本：超原子半导体克服缺陷 全面超越硅基材料

龟兔赛跑的量子版本：超原子半导体克服缺陷全面超越硅基材料半导体，尤其是硅，是各种电子设备（如电脑、手机和您正在使用的设备）运行的基础。尽管用途广泛，但半导体也有其内在的限制。这些材料的原子结构会发生振动，从而产生称为声子的量子粒子。这些声子导致电子设备中负责传输能量和信息的粒子（电子或称为激子的电子-空穴对）发生散射。这种散射发生在极小的距离（纳米）和极短的时间跨度（飞秒）内，导致能量以热量形式耗散，并对信息传输速度造成限制。人们正在寻找更好的选择。哥伦比亚大学的化学家团队在《科学》杂志上撰文，他们的博士生杰克-图里亚格（JackTulyag）与化学教授米兰-德洛尔（MilanDelor）合作，描述了迄今为止速度最快、效率最高的半导体：一种名为Re6Se8Cl2的超原子材料。Re6Se8Cl2中的激子在与声子接触时不会发生散射，而是会与声子结合，产生新的准粒子，称为声激子-极子。虽然极子存在于许多材料中，但Re6Se8Cl2中的极子具有一种特殊的性质：它们能够进行弹道流动或无散射流动。这种弹道行为可能意味着有一天会出现速度更快、效率更高的设备。在研究小组进行的实验中，Re6Se8Cl2中的声激子-极子移动速度很快，是硅中电子移动速度的两倍，在不到纳秒的时间内就穿过了样品的几个微米。鉴于极子可以持续约11纳秒，研究小组认为激子-极子一次可以覆盖超过25微米的范围。由于这些准粒子是由光而不是电流和门控控制的，因此理论设备的处理速度有可能达到飞秒级--比目前千兆赫电子设备的纳秒级快六个数量级。所有这些都是在室温下实现的。德洛尔说："就能量传输而言，Re6Se8Cl2是我们所知的最好的半导体，至少到目前为止是这样。"龟兔赛跑的量子版本Re6Se8Cl2是一种超原子半导体，由合作者泽维尔-罗伊（XavierRoy）在实验室中创造。超原子是束缚在一起的原子团，它们的行为就像一个大原子，但性质却与构建它们的元素不同。合成超原子是罗伊实验室的专长，也是哥伦比亚大学由国家科学基金会资助的材料研究科学与工程中心（MaterialResearchScienceandEngineeringCenteronPrecisionAssembledQuantumMaterials）的工作重点。德洛尔对通过超原子和哥伦比亚大学开发的其他独特材料控制和操纵能量传输很感兴趣。为此，该团队建立了超分辨率成像工具，可以捕捉以超小、超快尺度运动的粒子。当Tulyag第一次把Re6Se8Cl2带进实验室时，并不是为了寻找一种新的改良半导体--而是为了用一种原则上不应该传导太多东西的材料来测试实验室显微镜的分辨率。德洛尔说："这与我们的预期正好相反。"我们看到的不是预期的缓慢运动，而是我们所见过的最快速度。"硅之所以是一种理想的半导体，是因为电子可以在其中快速移动，但就像俗话说的兔子一样，它们蹦跶得太厉害，最终实际上并不能跑得非常远、非常快。相对而言，Re6Se8Cl2中的激子速度非常慢，但正是因为它们速度如此之慢，才能够与同样缓慢移动的声子相遇并配对。由此产生的准粒子很"重"，就像乌龟一样，缓慢而稳定地前进。由于沿途没有其他声子的阻碍，Re6Se8Cl2中的声激子-极子最终比硅中的电子移动得更快。资料来源：哥伦比亚大学杰克-图里亚格（JackTulyag）接下来的两年，Tulyag和他在德洛尔研究小组的同事们一直在研究Re6Se8Cl2为什么会表现出如此明显的行为，包括开发一种具有极高空间和时间分辨率的先进显微镜，可以直接成像极子在材料中形成和移动的过程。TimothyBerkelbach研究小组的博士生、理论化学家PetraShih也建立了一个量子力学模型，为观测结果提供了解释。德洛尔解释说，新的准粒子速度很快，但与直觉相反的是，它们是通过调整自己的节奏来达到这种速度的--这有点像龟兔赛跑的故事。硅之所以是一种理想的半导体，是因为电子可以在硅中快速移动，但就像传说中的兔子一样，它们蹦跳得太快，最终实际上并没有跑得很远很远。相对而言，Re6Se8Cl2中的激子速度非常慢，但正是因为它们速度如此之慢，才能够与同样缓慢移动的声子相遇并配对。由此产生的准粒子很"重"，就像乌龟一样，缓慢而稳定地前进。由于沿途没有其他声子的阻碍，Re6Se8Cl2中的声激子-极子最终比硅中的电子移动得更快。半导体探索仍在继续与哥伦比亚大学正在探索的许多新兴量子材料一样，Re6Se8Cl2可以被剥离成原子薄片，这一特性意味着它们有可能与其他类似材料结合，以寻求更多独特的特性。不过，Re6Se8Cl2不太可能成为商业产品--分子中的第一种元素铼是地球上最稀有的元素之一，因此价格极其昂贵。不过，有了伯克尔巴赫小组的新理论，再加上图里亚格和德洛尔小组首先开发的直接跟踪极子形成和运动的先进成像技术，研究小组计划了解是否还有其他超原子竞争者能够打破Re6Se8Cl2的速度纪录。"这是唯一有人看到过持续室温弹道激子输运的材料。但是，我们现在可以开始预测还有哪些材料可能具有这种行为，而我们以前从未考虑过这些材料，"德洛尔说。"有一整套超原子和其他二维半导体材料具有有利于声学极子形成的特性。"参考文献：JakhangirkhodjaA.Tulyagankhodjaev、PetraShih、JessicaYu、JakeC.Russell、DanielG.Chica、MichelleE.Reynoso、HaowenSu、AthenaC.Stenor、XavierRoy、TimothyC.Berkelbach和MilanDelor的"范德华超原子半导体中的室温波状激子输运"，2023年10月26日，《科学》。DOI:10.1126/science.adf2698编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1403195.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1403195.htm

小变化，大影响：同位素研究有望改变二维半导体工程

小变化，大影响：同位素研究有望改变二维半导体工程研究人员发现，改变单层二硫化钼半导体中钼的同位素质量，可以改变该层在光照下发出的光的颜色。这项研究揭示了同位素工程设计二维材料新技术的潜力。资料来源：ChrisRouleau/ORNL，美国能源部同位素是一种元素家族中的成员，它们的质子数相同，但中子数不同，因此质量也不同。同位素工程学传统上侧重于增强在三维（或三维）范围内具有统一特性的所谓块体材料。但由ORNL领导的新研究推进了同位素工程的前沿领域，即电流被限制在平面晶体内的二维（或二维）范围内，而且一层只有几个原子厚。二维材料前景广阔，因为它们的超薄特性可以实现对其电子特性的精确控制。ORNL科学家肖凯说："当我们在晶体中置换一种较重的钼同位素时，我们在单层二硫化钼的光电特性中观察到了令人惊讶的同位素效应，这种效应为设计用于微电子、太阳能电池、光电探测器甚至下一代计算技术的二维光电器件带来了机遇。"研究小组成员于一玲利用不同质量的钼原子，生长出了原子薄二硫化钼的同位素纯二维晶体。在光激发或光刺激下，于发现晶体发出的光的颜色发生了微小变化。肖说："出乎意料的是，钼原子较重的二硫化钼发出的光向光谱的红色端偏移得更远，这与人们对块状材料的预期偏移相反。红色偏移表明材料的电子结构或光学特性发生了变化。"肖和研究小组与中佛罗里达大学的理论家沃洛迪米尔-特科夫斯基（VolodymyrTurkowski）和塔拉特-拉赫曼（TalatRahman）合作，发现声子（即晶体振动）一定会在这些超薄晶体的有限尺寸内以意想不到的方式散射激子（即光激发子）。他们发现这种散射如何使较重同位素的光带隙向光谱的红色端移动。"光带隙"是指材料吸收或发射光所需的最小能量。通过调整带隙，研究人员可以使半导体吸收或发射不同颜色的光，这种可调性对于设计新设备至关重要。ORNL的AlexPuretzky描述了生长在基底上的不同晶体如何因基底的区域应变而导致发射颜色的微小变化。为了证明异常同位素效应，并测量其大小以便与理论预测进行比较，于培育了二硫化钼晶体，在一个晶体中含有两种钼同位素。肖说："我们的工作是史无前例的，因为我们合成了含有两种相同元素但质量不同的同位素的二维材料，并在单层晶体中以可控和渐进的方式横向连接了同位素。这使我们能够在二维材料中观察到光学特性的内在异常同位素效应，而不会受到不均匀样品的干扰。"研究结果表明，即使原子薄的二维半导体材料中同位素质量发生微小变化，也会影响光学和电子特性，这一发现为继续研究提供了重要依据。"以前，人们认为要制造光伏和光电探测器等设备，我们必须将两种不同的半导体材料结合起来，制造结来捕获激子并分离它们的电荷。但实际上，我们可以使用相同的材料，只需改变其同位素，就能制造出捕获激子的同位素结，"肖说。"这项研究还告诉我们，通过同位素工程，我们可以调整光学和电子特性，从而设计出新的应用。"在未来的实验中，肖和团队计划与高通量同位素反应堆和美国国家实验室同位素科学与工程局的专家合作。这些设施可以提供各种高浓缩同位素前驱体，用于生长不同的同位素纯二维材料。然后，研究小组可以进一步研究同位素对自旋特性的影响，以便将其应用于自旋电子学和量子发射。描述这项研究的论文发表在《科学进展》（ScienceAdvances）上。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1429843.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1429843.htm