Ученым удалось "увидеть" процесс охлаждения электронов, который длится 30 квадриллионных долей секунды - «Наука и технологии»

В материалах электронной чистоты, таких, как полупроводники, используемые в солнечных батареях, некоторые электроны очень быстро нагреваются при поглощении материалом фотонов света. Энергия таких горячих электронов передается другим электронам и время, требующееся для этого, чрезвычайно мало, как правило, оно немного меньше триллионной доли секунды. В некоторых двухмерных материалах, таких, как графен, процесс охлаждения возбужденных электронов происходит еще быстрее, приблизительно за 30 квадриллионных долей секунды. Для того, чтобы понять поведение электронов в данной ситуации, ученые используют высокоскоростные методы, в которых используются лазеры.

Понимание поведения возбужденных электронов в различных материалах имеет огромное значение для дальнейшего продвижения в областях, где необходима реализация четкого управления процессом переноски тепловой энергии. В настоящее время в технологиях сбора солнечной энергии, в дисплеях, в области волоконно-оптических коммуникаций, часть тепловой энергии возбужденных электронов тратится впустую, просто нагревая материал датчика или солнечной батареи. Управление поведением электронов позволит сократить потери энергии и поднять эффективность вышеперечисленных устройств.

Для наблюдения за поведением электронов ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде использовали достаточно нетрадиционный подход. Они объединили слои графена одноатомной толщины со слоями нитрида бора, изоляционного материала. Получившийся "бутерброд" имеет структуру, известную под названием гетероструктуры Ван-Дер-Вальса (Van der Waals heterostructure), которая предоставляет электронам два возможных варианта их поведения в момент их охлаждения. Электроны, столкнувшись с другими электронами и передав им при этом часть своей энергии, могут остаться в пределах первого графенового слоя. Во втором случае, электроны могут покинуть первый графеновый слой и переместиться во второй слой под воздействием электрического поля.

Используя различные варианты прикладываемого напряжения, энергии оптических импульсов и других "экспериментальных рычагов", ученые выяснили, что они могут управлять тем, куда именно перемещаются охлаждаемые электроны. Кроме этого, такой метод позволяет ученым точно измерить время, требующееся электронам для их охлаждения.

Следует заметить, что созданная учеными многослойная структура является первым из нового класса наноразмерных оптоэлектронных устройств. Впоследствии, тщательно подобрав используемые материалы, калифорнийские исследователи создали фотоэлектронные датчики нового типа, толщина которых составляет всего 10 нанометров. И такие будущие наноразмерные устройства могут стать фундаментальными блоками сверхплотных, малопотребляющих, высокоэффективных и сверхбыстродействующих интегральных схем и микропроцессоров.