Сверхатомный полупроводник Re₆Se₈Cl₂ оказался самым быстрым при комнатной температуре

Американские физики обнаружили, что в сверхатомном ван-дер-ваальсовом полупроводнике Re₆Se₈Cl₂ скорость передачи электроэнергии на порядок выше, чем у других полупроводников. Такое преимущество полупроводник получил из-за формирования акустических экситон-поляронных квазичастиц в качестве переносчиков энергии, устойчивых к фононному рассеянию. Статья об этом исследовании опубликована в журнале Science.

Полупроводниковые технологии основаны на транспортировке носителей энергии и информации от источника к мишени, часто в форме электронов или экситонов — связанных электронно-дырочных пар. При комнатной температуре эти носители быстро рассеиваются из-за фононов в нанометровых и фемтосекундных масштабах. Это приводит к нагреву полупроводника и потерям переносимой энергии, фазовой когерентности и направленности, что накладывает строгие ограничения на скорость и эффективность всех полупроводниковых технологий. Чтобы преодолеть эти ограничения требуются полупроводники, которые поддерживают баллистический — без рассеяния — волнообразный поток энергии на макроскопические расстояния при комнатной температуре.

В 2018 году ученым удалось создать новый тип перспективного полупроводника, состоящего из атомных кластеров Re₆Se₈Cl₂ (хлорид-селенид рения). Каждый кластер состоит из октаэдров, состоящих из шести атомов рения, которые вписанны в куб из атомов селена. По бокам кластеры связаны друг с другом ковалентными связями, а сверху и снизу кластеры [Re₆Se₈] ограничиваются атомами хлора. Друг с другом слои кластеров связаны довольно слабыми электронными связями. При этом сильная связь электронов с межкластерными оптическими фононами приводит к еще большему уплощению электронных зон при комнатной температуре.

В новой работе Джахангирходжа Туляганходжаев (Jakhangirkhodja A. Tulyagankhodjaev) и его коллеги из Колумбийского университета в Нью-Йорке показали, что в этом материале формируются акустические экситон-поляронные квазичастицы, в которых экситоны оказываются связаны с акустическими деформациями кристаллической решетки. Чтобы изучить распространения поляронов в кристалле, ученые использовали метод микроскопии сверхбыстрого стробоскопического рассеяния. Под действием импульса света в кристалле генерировались экситоны над запрещенной зоной, а затем при помощи широкопольного зонда обратного рассеяния с энергией 1,55 электронвольта — немного ниже электронной запрещенной зоны — определялось, как экситоны изменяют локальную поляризуемость кристалла в пространстве.

В результате ученые обнаружили, что транспорт энергии в кристалле хлорид-селенид рения происходит квазибаллистически и волнообразно, что сохранялось на масштабе нескольких микрометров и наносекунд при комнатной температуре и ограничивалось лишь размерами кристалла. Эффективная скорость переноса энергии оказалась равна 2,3 километра в секунду, а длина свободного пробега около одного микрометра. По этим показателям хлорид-селенид рения превосходит любые другие полупроводники.

Отслеживая эволюцию энергетической функции экситонов после рождения и сопоставляя ее с измерениями оптического транспорта, физики подтвердили, что именно формирование поляронов влияет на наблюдаемое поведение переноса энергии в кристалле. Ученые отметили, что такие экситон-поляронные состояния оказались — хоть это и контринтуитивно — эффективно защищены от фононного рассеяния.

Дальнейшая разработка полупроводников с баллистическим волнообразным переносом энергии в двумерных материалах может привести к созданию наноэлектроники без потерь энергии. О том, какие еще неожиданные электрические свойства бывают в двумерных кристаллах, читайте в нашем материале «Тонко закручено».