用于低能耗电子产品的二维半三明治

澳大利亚国立大学团队展示了微腔构造技术如何观察稳健的室温激子传输

一种新的“三明治式”制造工艺在两个反射镜之间放置了一个只有一个原子薄的半导体，这使澳大利亚研究人员能够朝着基于光物质混合粒子激子 - 极化子的超低能量电子学迈出重要一步。

这项由澳大利亚国立大学领导的突破，证明了一种激子在高质量反射镜之间的强劲、无耗散的传播与光的反弹相混合。

传统电子学依赖于流动的电子或“空穴”（没有电子）。然而，未来电子学的一个主要领域将重点放在激子（与空穴结合的电子）的使用上，因为原则上，它们可以通过形成集体超流体状态在半导体中流动而不会损失能量。新的、积极研究的原子级薄半导体中的激子在室温下是稳定的。

由于原子级薄半导体非常薄，它们的特性，包括激子的流动，受到制造过程中可能引入的无序或缺陷的强烈影响。

ANU 领导的 FLEET 团队与斯威本大学和 FLEET 合作机构弗罗茨瓦夫大学的同事一起，将原子级薄 WS2 中的激子与光耦合，首次证明了它们在室温下没有任何能量耗散的远距离传播.

当激子（物质）与光子（光）结合时，它会形成一个新的混合粒子——激子-极化子。在光学微腔中的两个平行的高质量反射镜之间捕获光可以实现这一点。

在这项新研究中，一种新的光学微腔“三明治式”制造工艺使研究人员能够最大限度地减少对原子级薄半导体的损害，并最大限度地增加激子和光子之间的相互作用。在这种结构中形成的激子极化子能够在没有能量耗散的情况下传播到几十微米，这是电子微芯片的典型尺度。

高质量的光学微腔确保激子极化子的光（光子）成分的寿命是这些观察的关键。

页面顶部的图片： 左图：介电无序与激子大小相似的衬底上原子级薄 WS2 中的电子-空穴对。右图：激子和光子的杂交导致在全介电高 Q 光学微腔中形成极化子，减少介电无序的影响。 DBR（分布式布拉格反射器）。

研究发现，如果微腔以特定方式构建，激子极化子可以变得非常稳定，避免了在制造过程中夹在反射镜之间的脆弱半导体的损坏。

“激子在其中传播的原子级薄材料的选择远没有那么重要，”主要作者兼通讯作者Matthias Wurdack说。

“我们发现微腔的构建是关键，”Matthias Wurdack说，“虽然我们在这个特定的实验中使用了 WS2，但我们相信任何其他原子级薄的 TMDC 材料也可以使用。”

该团队通过将所有组件一一堆叠来构建微腔。首先制作微腔的底部反射镜，然后在其上放置半导体层，然后通过在顶部放置另一个反射镜来完成微腔。

至关重要的是，该团队没有将上部反射镜结构直接沉积在众所周知的易碎的原子级薄半导体上，该半导体在任何材料沉积过程中都很容易损坏。 “相反，我们单独制造整个顶部结构，然后以机械方式将其放置在半导体顶部，就像制作三明治一样，”Matthias说。 “因此，我们避免了对原子级薄半导体的任何损坏，并保留了其激子的特性。”

重要的是，研究人员优化了这种夹层方法，使腔体非常短，从而最大化了激子-光子相互作用。

“我们也从一些意外中受益，”Matthias说。 “一场制造事故最终成为我们成功的关键！”

偶然的“事故”以两面镜子之间的气隙的形式出现，使它们不能严格平行。微腔中的这个楔子为激子极化子创造了一个电压/电位“斜率”，粒子沿着这个斜率向上或向下移动。

研究人员发现，一定比例的激子极化子以总能量（势能和动能）守恒的方式在斜坡上下移动。沿着斜坡向下行驶，它们将势能转换为等量的动能，反之亦然。

总能量的完美守恒意味着没有能量在热量中损失（由于“摩擦”），这标志着极化子的“弹道”或无耗散传输。尽管本研究中的极化子没有形成超流体，但由于所有导致能量损失的散射过程都被抑制，因此实现了无耗散。

小组负责人Elena Ostrovskaya (ANU) 表示：“这是第一次在原子级薄的 TMDC 中进行室温极化子的弹道传输演示，这是迈向未来超低能量基于激子的电子学的重要一步。”

除了创造潜在的“斜率”之外，同样的制造事故还为激子极化子创造了一个潜在的阱。这使研究人员能够在阱中捕获并积累行进的激子 - 极化子 - 这是在微芯片上捕获和引导它们的重要第一步。”

此外，研究人员证实，激子极化子可以在原子级薄的半导体中传播几十微米（对于功能电子学来说足够远了），而不会散射到材料缺陷上。这与这些材料中的激子形成对比，激子的行程长度因这些缺陷而显著缩短。

此外，激子极化子能够保持其内在相干性（空间和时间不同点的信号之间的相关性），这预示着它们作为信息载体的潜力。

“这种远程相干传输是在室温下实现的，这对于开发原子级薄半导体的实际应用非常重要，”Matthias Wurdack 说。

如果未来的激子器件要成为传统电子器件的可行的低能耗替代品，它们必须能够在室温下运行，而无需能源密集型冷却。

“事实上，与直觉相反，我们的计算表明，在较高温度下传播长度越来越长，这对技术应用很重要，”Matthias说。

参考资料

'Motional narrowing, ballistic transport, and trapping of room-temperature exciton polaritons in an atomically-thin semiconductor' by Matthias Wurdack et al; Nature Communications September 2021

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