LAWRENCE — 研究发表在纳米科学和纳米技术顶级期刊 ACS Nano 上，实时揭示石墨烯中电子的弹道运动。
堪萨斯大学超快激光实验室进行的观察可能会在控制半导体中的电子、半导体的基本组件方面带来突破。大多数信息和能源技术。
“一般来说，电子运动会因与固体中其他粒子的碰撞而中断，”第一作者、堪萨斯大学物理与化学系博士生 Ryan Scott 说。天文学。 “这类似于有人在充满舞者的舞厅里跑步。这些碰撞相当频繁——每秒大约 10 到 1000 亿次。它们会减慢电子速度，导致能量损失并产生不需要的热量。如果没有碰撞，电子将在固体内不间断地移动，类似于高速公路上的汽车或空中的弹道导弹。我们将此称为“弹道运输”。”
斯科特在物理学和物理学教授赵辉的指导下进行了实验室实验。 KU 的天文学。前堪萨斯大学博士生 Pavel Valencia-Acuna 加入了他们的工作，他现在是西北太平洋国家实验室的博士后研究员。
赵说，利用弹道运输的电子设备可能会更快、更强大、更节能。
“当前的电子设备，例如计算机和电话，都使用硅基场效应晶体管，”赵说。 “在此类设备中，由于电子频繁发生碰撞，它们只能以每秒厘米数量级的速度漂移。石墨烯中电子的弹道传输可用于速度快、能耗低的设备。”
堪萨斯大学的研究人员观察了石墨烯的弹道运动，石墨烯是下一代电子设备的一种有前途的材料。石墨烯于 2004 年首次被发现，并于 2010 年荣获诺贝尔物理学奖。石墨烯由单层碳原子组成，形成六方晶格结构，有点像足球网。
斯科特说：“石墨烯中的电子的移动就好像它们的‘有效’质量为零一样，这使得它们更有可能避免碰撞并以弹道方式移动。” “之前的电实验通过研究不同条件下电压产生的电流，揭示了弹道传输的迹象。然而，这些技术的速度不够快，无法追踪电子的移动。”
研究人员表示，石墨烯（或任何其他半导体）中的电子就像坐在一间满员的教室里的学生，由于课桌已满，学生无法自由走动。激光可以释放电子，暂时腾出桌子，或者物理学家所说的“空穴”。
“光可以为电子提供能量以释放电子，使其可以自由移动，”赵说。 “这类似于允许学生站起来离开座位。然而，与电荷中性的学生不同，电子带负电。一旦电子离开它的‘座位’，座位就会带正电，并迅速将电子拖回来，导致电子不再移动——就像学生坐回去一样。”
由于这种效应，石墨烯中的超轻电子在回落到其位置之前只能保持约万亿分之一秒的移动时间。这么短的时间对观察电子的运动提出了严峻的挑战。为了解决这个问题，堪萨斯大学的研究人员设计并制造了一种四层人造结构，其中两个石墨烯层被另外两种单层材料（二硫化钼和二硒化钼）隔开。
“通过这种策略，我们能够将电子引导到一个石墨烯层，同时将它们的‘座位’保留在另一个石墨烯层中，”斯科特说。 “用总厚度仅为 1.5 纳米的两层分子将它们分开，迫使电子保持移动约 50 万亿分之一秒，对于研究人员来说足够长了，因为配备了快至 0.1 万亿分之一秒的激光，研究它们如何移动。”
研究人员使用紧密聚焦的激光点来释放样品中的一些电子。他们通过绘制样品的“反射率”或它们反射的光的百分比来追踪这些电子。
“我们看到大多数物体是因为它们将光反射到我们的眼睛，”斯科特说。 “较亮的物体具有较大的反射率。另一方面，深色物体会吸收光线，这就是为什么深色衣服在夏天会变得很热的原因。当移动电子移动到样品的某个位置时，它会通过改变该位置的电子与光相互作用的方式使该位置稍微变亮。影响非常小——即使一切都优化了，一个电子也只会改变百万分之 0.1 的反射率。”
为了检测如此小的变化，研究人员一次性释放了 20,000 个电子，使用探针激光从样品上反射并测量反射率，对每个数据点重复该过程 8000 万次。他们发现电子平均以每秒 22 公里的速度弹道运动约 20 万亿分之一秒，然后遇到终止其弹道运动的物体。
该研究由能源部材料物理行为项目资助。
赵说，目前他的实验室正在努力完善他们的材料设计，以更有效地引导电子到达所需的石墨烯层，并试图找到使电子弹道移动更远距离的方法。
顶部图片： 超快激光实验室。图片来源：KU 营销传播
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