A medida que los dispositivos semiconductores se vuelven cada vez más pequeños, los investigadores están explorando materiales bidimensionales (2D) para aplicaciones potenciales en transistores y optoelectrónica. Controlar el flujo de electricidad y calor a través de estos materiales es fundamental para su funcionalidad, pero primero debemos comprender los detalles de esos comportamientos a escala atómica.

Ahora, los investigadores han descubierto que los electrones juegan un papel sorprendente en cómo se transfiere la energía entre las capas de un material semiconductor bidimensional, el disullenuro de tungsteno (WSe).₂) y disulfuro de tungsteno (WS₂). Los investigadores descubrieron que, aunque las capas no están estrechamente unidas, los electrones proporcionan un puente entre ellas que facilita la rápida transferencia de calor.

«Nuestro trabajo muestra que necesitamos ir más allá de la analogía del bloque Lego para comprender los ensamblajes de materiales 2D dispares, aunque las capas no estén fuertemente unidas entre sí», dijo Archana Raja, científico del DOE, Lawrence Berkeley. Laboratorio Nacional (Berkeley Lab), quien dirigió el estudio. «Las capas que parecen distintas, de hecho, se comunican a través de vías electrónicas compartidas, lo que nos permite acceder a propiedades más grandes que la suma de las partes y, en última instancia, diseñarlas».

estudiando apareció recientemente en Nanotecnología de la naturaleza Reúne conocimientos de mediciones de temperatura ultrarrápidas a escala atómica y cálculos teóricos a gran escala.

«Este experimento fue impulsado por preguntas fundamentales sobre los movimientos atómicos en las nanouniones, pero los hallazgos tienen implicaciones para la disipación de energía en futuros dispositivos electrónicos», dijo Aditya Sood, coautor del estudio y ahora investigador en la Universidad de Stanford. «Teníamos curiosidad acerca de cómo los electrones y las vibraciones atómicas se acoplan entre sí cuando el calor fluye entre dos materiales. Al acercarnos a la interfaz con resolución atómica, descubrimos un mecanismo sorprendentemente eficiente para este acoplamiento».

Termómetro ultrarrápido con precisión atómica

Los investigadores estudiaron dispositivos que consisten en monocapas apiladas de WSe₂ y W. S.₂. Los dispositivos fueron fabricados por el equipo de Raja en Molecular Foundry en Berkeley Lab, quienes han perfeccionado el arte de usar cinta adhesiva para pelar capas monocristalinas de semiconductores, cada una de menos de un nanómetro de espesor. Usando sellos de polímero alineados bajo un microscopio de apilamiento casero, estas capas se depositaron una encima de la otra y se colocaron con precisión sobre una ventana del microscopio para permitir que los electrones viajaran a través de la muestra.

En experimentos realizados en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, el equipo utilizó una técnica conocida como difracción de electrones ultrarrápidos (UED) para medir las temperaturas de capas individuales con solo electrones excitados ópticamente en WSe.₂ capa. El UED sirvió como una ‘cámara electrónica’, capturando las ubicaciones de los átomos dentro de cada capa. Al variar el intervalo de tiempo entre la excitación y el sonido de los pulsos en una billonésima de segundo, pueden rastrear el cambio de temperatura de cada capa de forma independiente, utilizando simulaciones teóricas para convertir los movimientos atómicos observados en temperaturas.

«Lo que permite este enfoque UED es una nueva forma de medir la temperatura directamente dentro de esta compleja estructura heterogénea», dijo Aaron Lindenberg, coautor del estudio en la Universidad de Stanford. «Estas capas están separadas por solo unos pocos angstroms, pero podemos probar selectivamente su respuesta y, como resultado del análisis de tiempo, podemos investigar escalas de tiempo fundamentales sobre cómo se comparte la energía entre estas estructuras de una manera nueva».

Descubrieron que WSe₂ Clase caliente, como era de esperar, pero para su sorpresa, WS₂ La capa también se calentó una al lado de la otra, lo que indica una rápida transferencia de calor entre las capas. Por el contrario, cuando los electrones en WSe₂ y calentar la heteroestructura usando una capa de contacto de metal en su lugar, la interfaz entre WSe₂ y W. S.₂ Transmite muy mal el calor, lo que confirma informes anteriores.

«Fue muy sorprendente ver que las dos capas se calentaban casi simultáneamente después de la fotoexcitación y nos motivó a centrarnos en una comprensión más profunda de lo que estaba sucediendo», dijo Raja.