Тончайшая кристаллическая пленка заставляет электроны двигаться в 7 раз быстрее

Ученые разработали новый тип тончайшего кристаллического пленочного полупроводника, который позволяет электронам двигаться в семь раз быстрее, чем в традиционных полупроводниках, — и это может иметь огромные последствия для электронных устройств.

В исследовании, опубликованном в журнале Materials Today Physics, физики создали чрезвычайно тонкую пленку из кристаллического материала, называемого тройным тетрадимитом.

Пленка — шириной всего 100 нанометров, или около одной тысячной толщины человеческого волоса — была создана с помощью процесса, называемого молекулярно-лучевой эпитаксией , которая включает в себя точное управление пучками молекул для построения материала атом за атомом. Этот процесс позволяет создавать материалы с минимальными изъянами или дефектами, обеспечивая большую подвижность электронов, меру того, насколько легко электроны перемещаются через материал под действием электрического поля.

Когда ученые подали электрический ток на пленку, они зафиксировали электроны, движущиеся с рекордной скоростью 10 000 квадратных сантиметров на вольт-секунду (см^2/Вс). Для сравнения, электроны обычно движутся со скоростью около 1400 см^2/Вс в стандартных кремниевых полупроводниках и значительно медленнее в традиционной медной проводке. 

Эта заоблачная подвижность электронов приводит к лучшей проводимости. Это, в свою очередь, прокладывает путь для более эффективных и мощных электронных устройств, которые выделяют меньше тепла и тратят меньше энергии.

Исследователи сравнили свойства пленки с «шоссе без движения», заявив, что такие материалы «будут необходимы для более эффективных и устойчивых электронных устройств, которые могут выполнять больше работы с меньшими затратами энергии». Потенциальные области применения включают носимые термоэлектрические устройства, преобразующие отработанное тепло в электричество, и «спинтронные» устройства, которые используют спин электрона вместо заряда для обработки информации, заявили ученые.

«Раньше то, чего люди достигли в плане подвижности электронов в этих системах, было похоже на движение на строящейся дороге — вы застряли, вы не можете ехать, это пыльно и это беспорядок», — сказал Джагадиш Мудера из Массачусетского технологического института. «В этом новом оптимизированном материале это похоже на движение по Массачусетскому тракту без движения».

Ученые измерили подвижность электронов в материале, поместив кристаллическую пленку в чрезвычайно холодную среду под магнитным полем. Затем они пропустили через нее электрический ток и измерили квантовые колебания, которые возникают, когда электрическое сопротивление колеблется в ответ на магнитное поле.  

Даже крошечные дефекты в материале могут повлиять на электронную подвижность, препятствуя движению электронов. Таким образом, ученые надеются, что совершенствование процесса создания пленки даст еще лучшие результаты.

«Это показывает, что можно сделать гигантский шаг вперед, если правильно контролировать эти сложные системы», — сказал Мудера. «Это говорит нам, что мы на правильном пути, и у нас есть правильная система, чтобы двигаться дальше, продолжать совершенствовать этот материал вплоть до еще более тонких пленок и бесконтактной связи для использования в будущей спинтронике и носимых термоэлектрических устройствах».