Физик из Московского физико-технического института показал, что электронный газ в атомарно тонком полупроводнике может переключаться между двумя устойчивыми состояниями при одинаковой мощности нагрева. Этот эффект может стать основой для создания быстрых электронных переключателей и элементов памяти. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review B.
Ученый изучал дихалькогениды переходных металлов — материалы, которые можно получить в виде слоев толщиной всего в несколько атомов. К ним относится MoSe₂. Такие полупроводники эффективно поглощают и излучают свет, поэтому представляют интерес для разработки электронных и оптоэлектронных устройств.
Исследователь Александр Шенцев, студент кафедры проблем теоретической физики МФТИ, рассмотрел ситуацию, в которой полупроводник постоянно освещают и одновременно нагревают электрическим полем. Расчеты показали, что между свободными электронами и трионами возникает обратная связь, способная резко менять температуру и электрические свойства системы.
Свободные электроны и трионы по-разному взаимодействуют с электрическим полем и передают энергию кристаллической решетке. Когда трионы распадаются, количество свободных электронов увеличивается. Они сильнее поглощают энергию поля, из-за чего электронный газ нагревается еще больше и распад трионов ускоряется. В обратном направлении процесс также усиливает сам себя: увеличение числа трионов способствует охлаждению системы.
В определенном диапазоне мощности нагрева, согласно модели, система может находиться в двух устойчивых состояниях. В холодном состоянии значительная часть электронов связана в трионы, а в горячем преобладают свободные электроны. Между ними существует неустойчивое состояние, которое не сохраняется при небольших возмущениях.
При постепенном увеличении мощности нагрева система остается в холодном состоянии до определенного порога, после чего скачком переходит в горячее. При снижении мощности обратное переключение происходит при другом значении поля. Такое поведение называется гистерезисом и позволяет сохранять одно из двух состояний при одинаковых внешних условиях.
Эффект можно регистрировать несколькими способами. Переключение должно сопровождаться скачком электрического тока, изменением поглощения и прохождения излучения, а также изменением интенсивности люминесценции. По расчетам автора, переходы могут происходить за десятки или сотни пикосекунд.
Результаты указывают на возможный механизм создания сверхбыстрых переключателей и ячеек памяти на основе двумерных полупроводников. Исследование поддержано Министерством науки и высшего образования России.
Источник: Минобрнауки России
Читайте также:
В МИФИ разработали метод для раннего обнаружения перегрева реакторов и чипов
В России нашли материал для полностью энергонезависимых оптических чипов будущего