Gli scienziati hanno visualizzato per la prima volta la struttura elettronica in un dispositivo microelettronico, aprendo opportunità per dispositivi elettronici ad alte prestazioni finemente sintonizzati.

I fisici dell'Università di Warwick e dell'Università di Washington hanno sviluppato una tecnica per misurare l'energia e la quantità di moto degli elettroni nel funzionamento di dispositivi microelettronici fatti di sottili atomi di carbonio, cosiddetto bidimensionale, materiali.

Utilizzando queste informazioni, possono creare rappresentazioni visive delle proprietà elettriche e ottiche dei materiali per guidare gli ingegneri a massimizzare il loro potenziale nei componenti elettronici.

Lo studio condotto sperimentalmente è pubblicato in Natura oggi (17 luglio) e potrebbe anche aiutare a spianare la strada ai semiconduttori bidimensionali che probabilmente giocheranno un ruolo nella prossima generazione di elettronica, in applicazioni come il fotovoltaico, dispositivi mobili e computer quantistici.

La struttura elettronica di un materiale descrive come si comportano gli elettroni all'interno di quel materiale, e quindi la natura della corrente che lo attraversa. Tale comportamento può variare a seconda della tensione - la quantità di "pressione" sui suoi elettroni - applicata al materiale, e così le modifiche alla struttura elettronica con la tensione determinano l'efficienza dei circuiti microelettronici.

Questi cambiamenti nella struttura elettronica dei dispositivi operativi sono alla base di tutta l'elettronica moderna. Fino ad ora, però, non c'è stato modo di vedere direttamente questi cambiamenti per aiutarci a capire come influenzano il comportamento degli elettroni.

Applicando questa tecnica gli scienziati avranno le informazioni di cui hanno bisogno per sviluppare componenti elettronici "regolati" che funzionano in modo più efficiente e operano a prestazioni elevate con un consumo energetico inferiore. Aiuterà anche nello sviluppo di semiconduttori bidimensionali che sono visti come potenziali componenti per la prossima generazione di elettronica, con applicazioni nell'elettronica flessibile, fotovoltaico, e spintronica. A differenza dei semiconduttori tridimensionali odierni, i semiconduttori bidimensionali sono costituiti da pochi strati di atomi.

Il dottor Neil Wilson del Dipartimento di Fisica dell'Università di Warwick ha dichiarato:"Il modo in cui la struttura elettronica cambia con la tensione è ciò che determina il funzionamento di un transistor nel computer o nella televisione. Per la prima volta stiamo visualizzando direttamente quei cambiamenti. Non essendo in grado di vedere come cambia con le tensioni è stato un grande anello mancante.Questo lavoro è al livello fondamentale ed è un grande passo nella comprensione dei materiali e della scienza dietro di essi.

"La nuova visione dei materiali ci ha aiutato a comprendere le lacune di banda di questi semiconduttori, che è il parametro più importante che influenza il loro comportamento, da quale lunghezza d'onda di luce emettono, a come commutano la corrente in un transistor."

La tecnica utilizza la spettroscopia di fotoemissione risolta ad angolo (ARPES) per "eccitare" gli elettroni nel materiale scelto. Focalizzando un raggio di luce ultravioletta o a raggi X sugli atomi in un'area localizzata, gli elettroni eccitati vengono eliminati dai loro atomi. Gli scienziati possono quindi misurare l'energia e la direzione di viaggio degli elettroni, da cui possono ricavare l'energia e la quantità di moto che avevano all'interno del materiale (usando le leggi della conservazione dell'energia e della quantità di moto). Che determina la struttura elettronica del materiale, che possono quindi essere confrontati con previsioni teoriche basate su calcoli di strutture elettroniche all'avanguardia eseguiti in questo caso dal gruppo di ricerca del co-autore Dr. Nicholas Hine.

Il team ha prima testato la tecnica utilizzando il grafene prima di applicarla a semiconduttori bidimensionali di dicalcogenuro di metallo di transizione (TMD). Le misurazioni sono state effettuate presso la linea di luce Spectromicroscopy presso il sincrotrone ELETTRA in Italia, in collaborazione con il Dr. Alexei Barinov e il suo gruppo lì.

Dottor David Cobden, professore presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Washington, ha dichiarato:"Un tempo l'unico modo per sapere cosa fanno gli elettroni in un dispositivo a semiconduttore funzionante era confrontare le sue caratteristiche di tensione di corrente con modelli complicati. Ora, grazie ai recenti progressi che consentono di applicare la tecnica ARPES a piccoli punti, combinato con l'avvento di materiali bidimensionali dove l'azione elettronica può essere proprio sulla superficie, possiamo misurare direttamente lo spettro elettronico in dettaglio e vedere come cambia in tempo reale. Questo cambia il gioco".

Dott. Xiaodong Xu, dal Dipartimento di Fisica e dal Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'Università di Washington, ha dichiarato:"Questa potente tecnica di spettroscopia aprirà nuove opportunità per studiare i fenomeni fondamentali, come la visualizzazione della transizione di fase topologica elettricamente sintonizzabile e gli effetti di drogaggio sulle fasi elettroniche correlate, che sono altrimenti impegnativi."