电子结构的电门效应的首次可视化

　　

       上图所示为收集并分析聚焦在二维半导体器件上的光束射出的电子，以确定当电极之间施加电压时，材料中的电子结构如何变化。科学家首次将微电子器件中的电子结构可视化，为微调高性能电子器件提供了机会。

　　来自英国华威大学和华盛顿大学的物理学家们已经开发出一种技术，可以测量由原子层薄的所谓二维材料制成的微电子器件中电子的能量和动量。利用这些信息，他们可以创建材料电学和光学特性的视觉表示，以指导工程师最大限度地发挥其在电子元件中的潜力。

　　这项由实验为主的研究近日发表在《自然Nature》杂志上，也有助于为可能在下一代电子产品中发挥作用的二维半导体铺平道路，这些半导体应用于光伏、移动设备和量子计算机等应用。

　　材料的电子结构描述了电子在该材料中的行为，因此也描述了流过该材料的电流的性质。这种行为可能因施加在材料上的电子上的“压力”大小的电压不同而不同，因此随着电压的变化，电子结构的变化决定了微电子电路的效率。

　　操作装置中电子结构的这些变化是所有现代电子产品的基础。然而，直到现在，还没有办法直接看到这些变化来帮助我们理解它们如何影响电子的行为。

　　通过应用这项技术，科学家们将获得开发“微调”电子元件所需的信息，这些电子元件工作效率更高，性能更高，功耗更低。它还将有助于发展二维半导体，这种半导体被视为下一代电子产品的潜在元件，在柔性电子、光电和自旋电子学中有着广泛的应用。与当今的三维半导体不同，二维半导体仅由几层原子组成。

　　沃里克大学物理系的尼尔·威尔逊博士说：“电子结构如何随电压变化是决定计算机或电视中晶体管工作方式的因素。这是我们第一次直接看到这些变化。无法看到电压如何变化是一个很大的缺失环节。这项工作是在基本层面上的，是理解材料及其背后的科学的一大步。

　　“对材料的新认识帮助我们了解了这些半导体的带隙，这是影响它们行为的最重要参数，从它们发射的光波波长到它们如何在晶体管中转换电流。”

　　该技术使用角度分光发射光谱（ARPES）来“激发”所选材料中的电子。通过将一束紫外线或X射线聚焦在一个局部区域的原子上，被激发的电子就被从原子中打出。然后，科学家可以测量电子的能量和运动方向，从中他们可以计算出它们在物质中的能量和动量（使用能量和动量守恒定律）。这就决定了材料的电子结构，然后可以将其与基于最先进的电子结构计算的理论预测进行比较，这种计算是由合著者NicholasHine博士的研究小组进行的。

　　在将石墨烯应用于二维过渡金属二氯化铝（TMD）半导体之前，研究小组首先用石墨烯测试了这项技术。这些测量是在意大利ELETTRA同步加速器的分光镜光束线上进行的，并与AlexeiBarinov博士及其团队合作。

　　华盛顿大学物理系教授DavidCobden博士说：“过去，了解电子在半导体器件中的作用的唯一方法就是将其电流电压特性与复杂的模型进行比较。现在，由于最近的进展，使ARPES技术可以应用到微小的点上，再加上二维材料的出现，在这种材料的表面上，电子的作用是正确的，我们可以直接测量电子光谱的细节，并看到它在真实的时间里是如何变化的。这将改变游戏规则。”

　　华盛顿大学物理系和材料科学与工程系的Xiaodong博士说：“这种强大的光谱学技术将为研究基本现象提供新的机会，例如电可调谐拓扑结构的可视化。ASE转变和掺杂对相关电子相的影响，这在其他方面具有挑战性。”

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