Des lasers ultrarapides cartographient les électrons « devenant balistiques » dans le graphène, avec des implications pour les appareils électroniques de nouvelle génération

Des recherches parues dans ACS Nano révèle le mouvement balistique des électrons dans le graphène en temps réel.

Les observations effectuées au laboratoire laser ultrarapide de l'Université du Kansas pourraient conduire à des percées dans la gestion des électrons dans les semi-conducteurs, composants fondamentaux de la plupart des technologies de l'information et de l'énergie.

“En général, le mouvement des électrons est interrompu par des collisions avec d'autres particules dans les solides”, a déclaré l'auteur principal Ryan Scott, doctorant au département de physique et d'astronomie de la KU.

“C'est comme si quelqu'un courait dans une salle de bal remplie de danseurs. Ces collisions sont plutôt fréquentes, environ 10 à 100 milliards de fois par seconde. Elles ralentissent les électrons, provoquent une perte d'énergie et génèrent de la chaleur indésirable. Sans collisions, un électron se déplacer sans interruption dans un solide, semblable aux voitures sur une autoroute ou aux missiles balistiques dans les airs. Nous appelons cela « transport balistique ».

Scott a réalisé les expériences en laboratoire sous le mentorat de Hui Zhao, professeur de physique et d'astronomie à la KU. Ils ont été rejoints dans les travaux par Pavel Valencia-Acuna, ancien doctorant de la KU, aujourd'hui chercheur postdoctoral au Laboratoire national du Pacifique Nord-Ouest.

Zhao a déclaré que les appareils électroniques utilisant le transport balistique pourraient potentiellement être plus rapides, plus puissants et plus économes en énergie.

“Les appareils électroniques actuels, tels que les ordinateurs et les téléphones, utilisent des transistors à effet de champ à base de silicium”, a déclaré Zhao. “Dans de tels dispositifs, les électrons ne peuvent dériver qu'à une vitesse de l'ordre de quelques centimètres par seconde en raison des collisions fréquentes qu'ils rencontrent. Le transport balistique des électrons dans le graphène peut être utilisé dans des dispositifs à vitesse rapide et à faible consommation d'énergie.”

Les chercheurs de la KU ont observé le mouvement balistique du graphène, un matériau prometteur pour les appareils électroniques de nouvelle génération. Découvert pour la première fois en 2004 et récompensé du prix Nobel de physique en 2010, le graphène est constitué d'une seule couche d'atomes de carbone formant une structure en treillis hexagonal, un peu comme un filet de football.

“Les électrons du graphène se déplacent comme si leur masse” effective “était nulle, ce qui les rend plus susceptibles d'éviter les collisions et de se déplacer de manière balistique”, a déclaré Scott. “Des expériences électriques antérieures, en étudiant les courants électriques produits par des tensions dans diverses conditions, ont révélé des signes de transport balistique. Cependant, ces techniques ne sont pas assez rapides pour suivre les électrons lorsqu'ils se déplacent.”

Selon les chercheurs, les électrons du graphène (ou de tout autre semi-conducteur) sont comme des étudiants assis dans une salle de classe pleine, où les étudiants ne peuvent pas se déplacer librement car les pupitres sont pleins. La lumière laser peut libérer les électrons pour qu'ils quittent momentanément un bureau, ou un « trou », comme les appellent les physiciens.

“La lumière peut fournir de l'énergie à un électron pour le libérer afin qu'il puisse se déplacer librement”, a expliqué Zhao. “Cela revient à permettre à un étudiant de se lever et de s'éloigner de son siège. Cependant, contrairement à un étudiant à charge neutre, un électron est chargé négativement. Une fois que l'électron a quitté son “siège”, le siège devient chargé positivement et rapidement. entraîne l'électron vers l'arrière, ce qui entraîne la disparition des électrons mobiles, comme si l'étudiant se rasseyait.

En raison de cet effet, les électrons ultra-légers du graphène ne peuvent rester mobiles que pendant environ un billionième de seconde avant de retomber à leur place. Ce court laps de temps présente un défi de taille pour observer le mouvement des électrons. Pour résoudre ce problème, les chercheurs de la KU ont conçu et fabriqué une structure artificielle à quatre couches avec deux couches de graphène séparées par deux autres matériaux monocouches, le bisulfure de molybdène et le diséléniure de molybdène.

“Grâce à cette stratégie, nous avons pu guider les électrons vers une couche de graphène tout en gardant leurs “sièges” dans l'autre couche de graphène”, a déclaré Scott. “Les séparer par deux couches de molécules, d'une épaisseur totale de seulement 1,5 nanomètres, oblige les électrons à rester mobiles pendant environ 50 billionièmes de seconde, assez longtemps pour les chercheurs, équipés de lasers aussi rapides que 0,1 billionièmes de seconde. , pour étudier comment ils se déplacent.

Les chercheurs utilisent un point laser étroitement focalisé pour libérer certains électrons de leur échantillon. Ils tracent ces électrons en cartographiant la « réflectance » de l’échantillon, ou le pourcentage de lumière qu’ils réfléchissent.

“Nous voyons la plupart des objets parce qu'ils réfléchissent la lumière vers nos yeux”, a déclaré Scott.

“Les objets plus brillants ont une réflectance plus grande. D'un autre côté, les objets sombres absorbent la lumière, c'est pourquoi les vêtements sombres deviennent chauds en été. Lorsqu'un électron mobile se déplace vers un certain emplacement de l'échantillon, il rend cet endroit légèrement plus lumineux en modifiant la façon dont il se déplace.” “Les électrons à cet endroit interagissent avec la lumière. L'effet est très faible : même avec tout optimisé, un électron ne modifie la réflectance que de 0,1 partie par million.”

Pour détecter un si petit changement, les chercheurs ont libéré 20 000 électrons à la fois, en utilisant une sonde laser pour réfléchir sur l'échantillon et mesurer cette réflectance, en répétant le processus 80 millions de fois pour chaque point de données. Ils ont découvert que les électrons se déplacent en moyenne de manière balistique pendant environ 20 billionièmes de seconde à une vitesse de 22 kilomètres par seconde avant de heurter quelque chose qui met fin à leur mouvement balistique.