Forskere undersøger en hydrodynamisk halvleder, hvori elektroner flyder som vand

23. juli 2022

(Nanowerk nyheder) Normalt vil man ikke blande elektricitet og vand, men elektricitet, der opfører sig som vand, har potentiale til at forbedre elektroniske enheder. Nyligt arbejde udført af grupperne af Columbia-ingeniør James Hone og teoretisk fysiker Shaffique Adam fra National University of Singapore og Yale-NUS bygger en ny forståelse af denne usædvanlige hydrodynamiske adfærd, der ændrer nogle gamle antagelser om metallers fysik.

Undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet videnskabelige fremskridt (“Dissipationsaktiveret hydrodynamisk ledningsevne i en tunable bandgap-halvleder”).

I arbejdet studerede holdet adfærden af ​​en ny halvleder, hvor negativt ladede elektroner og positivt ladede “huller” leder elektricitet på samme tid. De fandt ud af, at denne strøm kan beskrives med blot to “hydrodynamiske” ligninger: en, der beskriver, hvordan elektroner og huller glider mod hinanden, og en anden, hvordan alle ladninger bevæger sig sammen gennem materialets atomgitter. Elektroner kan flyde rundt om forhindringer i en halvleder som vand I en ny halvleder kan elektroner flyde rundt om forhindringer som vand. Denne hydrodynamiske adfærd kunne føre til mere effektive enheder. (Billede: Rina Goh, National University of Singapore)

“Simple formler betyder normalt simpel fysik,” sagde Hone, som blev overrasket, da Adams postdoc Derek Ho byggede den nye model, som udfordrer antagelser, som mange fysikere lærer om metaller tidligt i deres uddannelse. “Vi blev alle lært, at i et normalt metal, alt hvad du skal gøre er at vide, hvordan en elektron hopper af forskellige typer ufuldkommenheder,” sagde Hone. “I dette system gælder de grundlæggende modeller, som vi lærte at kende på vores første kurser, simpelthen ikke.”

I strømførende metalledninger er der mange bevægelige elektroner, der stort set ignorerer hinanden, som passagerer i et overfyldt metrotog. Når elektronerne bevæger sig, støder de uundgåeligt på enten fysiske defekter i materialet, der understøtter dem, eller vibrationer, der får dem til at spredes. Strømmen aftager, og energien går tabt. Men i materialer med færre elektroner interagerer disse elektroner faktisk stærkt med hinanden og flyder sammen, som vand gennem et rør. De støder stadig på de samme ufuldkommenheder, men deres adfærd er vidt forskellig: I stedet for at tænke på individuelle elektroner, der er spredt tilfældigt, skal man nu behandle hele sættet af elektroner (og huller) sammen, sagde Hone.

For eksperimentelt at teste deres simple nye model for hydrodynamisk ledningsevne, studerede holdet tolagsgrafen – et materiale sammensat af to atomisk tynde lag kulstof. Hones kandidatstuderende Cheng Tan målte elektrisk ledningsevne fra stuetemperatur til næsten det absolutte nul, mens den varierede tæthederne af elektroner og huller.

Tan og Ho fandt fremragende overensstemmelse mellem modellen og deres resultater. “Det er slående, at eksperimentelle data stemmer så meget bedre overens med hydrodynamisk teori end den gamle ‘standardteori’ om ledningsevne,” sagde Ho.

Modellen fungerede, når materialet blev indstillet til at tillade ledningsevnen at blive tændt og slukket, og den hydrodynamiske opførsel var fremragende selv ved stuetemperatur. “Det er virkelig bemærkelsesværdigt, at tolagsgrafen er blevet undersøgt i over 15 år, men indtil nu har vi ikke rigtigt forstået dets ledningsevne ved stuetemperatur,” sagde Hone, som også er professor i Wang Fong Jen og formand for Fakultetet for Maskinteknik. hos Columbia Engineering.

Konduktivitet med lav modstand ved stuetemperatur kan have meget praktiske anvendelser. Eksisterende superledende materialer, der leder elektricitet uden modstand, skal holdes utrolig kolde. Materialer, der er i stand til hydrodynamisk flow, kan hjælpe forskere med at bygge mere effektive elektroniske enheder – kendt som tyktflydende elektronik – der ikke kræver så intensiv og dyr afkøling.

På et mere grundlæggende niveau bekræftede holdet, at glidende bevægelse mellem elektroner og huller ikke er specifik for grafen, sagde Adam, lektor i Institut for Materialevidenskab og Engineering ved National University of Singapore og Division of Science ved Yale-NUS College . Fordi denne relative bevægelse er universel, bør forskere også være i stand til at finde den i andre materialer – især da forbedring af fremstillingsteknikker producerer stadig renere prøver, som Hone Lab har fokuseret på at udvikle i det sidste årti. I fremtiden kunne forskere også designe specifikke geometrier for yderligere at forbedre ydeevnen af ​​enheder bygget til at drage fordel af denne unikke vandlignende kollektive adfærd.

Leave a Comment

Your email address will not be published.