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基于激子的晶体管：未来电子器件将迎来新希望

消息来源:baojiabao.com 作者: 发布时间：2024-05-15

报价宝综合消息基于激子的晶体管：未来电子器件将迎来新希望

导读

近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）研究人员采用“激子”取代电子，制造出一种新型晶体管。

背景

激子，是指在光跃迁过程中，被激发到导带中的电子和在价带中的空穴，由于库仑相互作用形成的束缚态。激子通常可分为万尼尔（Wannier）激子和弗伦克尔（Frenkel）激子。

万尼尔激子

（图片来源：维基百科）

弗伦克尔激子

（图片来源：维基百科）

前者电子和空穴分布在较大的空间范围，库仑束缚较弱，电子“感受”到的是平均晶格势与空穴的库仑静电势，这种激子主要是半导体中；后者电子和空穴束缚在晶体元胞范围内，库仑作用较强，这种激子主要是在绝缘体中。

创新

“激子”有望革新工程师们制造电子器件的方式。瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）研究人员采用“激子”取代电子，制造出一种新型晶体管（电路中的元器件之一）。

他们制造出的激子晶体管，不同寻常之处在于，可以在室温条件下有效地工作，一直以来这都是一个不可逾越的障碍。他们采用两种二维材料作为半导体，实现了这种激子晶体管。

相关研究成果于7月25日发表在《自然》期刊上，并在激子学领域产生了许多影响。激子学，与光子学和自旋电子学一样，是一个非常有前景的新兴研究领域。

技术

激子实际上是一种准粒子，准粒子这一术语通常用于描述组成给定物质的粒子之间的相互作用，而不是物质本身。激子由电子和空穴构成。当电子吸收光子并跃迁到更高能级时，电子和空穴被束缚在一起。“受激发”的电子在之前的能级（在能带理论中，也称为价带）上留下一个空穴。这个空穴，也是一种准粒子，代表在该能带上消失的电子。

因为电子带负电荷，而空穴带正电荷，两种粒子在静电力的作用下束缚在一起。这种电子与空穴之间的束缚也称为库仑引力。而且就是在这种张力与平衡的状态下，它们形成了激子。当电子最终回归空穴的时候，它会激发出光子，然后激子不复存在。更简单点说，光子进入电路的一端并从另外一端出来；当在电路中时，光子引发了如同粒子一般的激子。

直到最近，研究人员才开始研究电子电路背景下的激子特性。激子中的能量一直被认为是非常微弱的，而且激子的生命周期太短了，以至于无法成为这一领域真正让人感兴趣的东西。此外，激子只有在极低的温度条件下（零下173摄氏度）才能够被制造和控制。

然而，这项研究的重大突破在于，EPFL 研究人员发现了如何控制激子的生命周期以及如何四处移动它们。他们采用了两种二维材料：二硒化钨（WSe2）和二硫化钼（MoS2）。EPFL 纳米电子与结构实验室（LANES）的领头人 Andras Kis 表示：“在这些材料中，激子展现出非常强烈的静电束缚，而且更重要地是，它们不会在室温条件下迅速地消逝。”

电子总是在寻找通向 MoS2 的途径，而空穴则总是最终形成在 WSe2 中。利用这一点，研究人员显著延长了激子的生命周期。而且，他们与两位日本研究人员一起合作，通过氮化硼（BN）保护半导体层，使得电子走得更远。

研究人员表示：“我们创造出一种特殊的激子，电子和空穴比在传统粒子中相隔的更远。这样延迟了电子返回空穴并产生光线的过程。从这个意义上说，激子保持偶极子形式的时间稍微更长一点，它们可以采用电场来控制并四处移动。”

（图片来源：EPFL）

接下来，按照从上到下，从左到右的顺序依次解释一下这幅漫画。

第一行（左）：如何在电子器件中使用激子。

第一行（右）：让我们想像，电子在坐飞机的座位上。

第二行（左）：如果电子获取光子，就像它喝了一杯充满能量的饮品。

第二行（右）：电子将充满更多的能量，并从它的座位上跳出来，但是它仍然被安全带所牵引。

第三行（左）：漫画中的小怪物代表电子，空座位代表空穴，安全带代表库伦力，一起形成了激子。

第三行（右）：迄今为止，基于激子的晶体管只有在极低的温度下（零下173摄氏度）才能被制造出来。瞧，漫画中的场景多么冷！

第四行（左）：由于采用两种二维材料，EPFL 研究人员在室温下制造出激子。漫画中出现一幅常温景象！

第四行（右）：研究人员能使材料中的激子持续时间更长，并且可以控制它们的运动。