Новый материал обогнал кремний и стал самым быстрым полупроводником

Ученые обнаружили, что «суператомный» материал является самым быстрым и эффективным полупроводником на свете. Используя преимущества механизма черепахи и зайца, новый материал может передавать энергию намного быстрее, чем кремний.

Полупроводники — это сердце электронных устройств, и в них используется кремний. Он составляет основу транзисторов и интегральных схем, которые сами по себе закладывают основу для смартфонов, компьютеров и остальной электроники.

Теперь ученые из Колумбийского университета нашли новый полупроводниковый материал, который, кажется, превосходит все остальные. Этот материал , известный как Re₆Se₈Cl₂ , состоит из смеси рения, селена и хлора, атомы которой группируются вместе и ведут себя как один большой атом – «суператом». И именно здесь он приобретает свою скорость.

В любом материале атомная структура излучает крошечные вибрации, которые распространяются как квантовые частицы, называемые фононами, которые могут рассеивать частицы, несущие энергию, такие как электроны или экситоны. Эта энергия быстро теряется в виде тепла, и управление ею является постоянным препятствием при разработке электронных микросхем и систем.

Но у Re₆Se₈Cl₂ есть маленькая хитрость. Его экситоны не рассеиваются при столкновении с фононами, а фактически связываются с ними, создавая другую форму квазичастиц, называемую акустическими экситон-поляронами. Они все еще могут переносить энергию, но движутся гораздо медленнее, чем обычные экситоны – и, как это ни парадоксально, в конечном итоге это приводит к более высоким скоростям, чем в кремнии (полярон — квазичастица в кристалле, состоящая из электрона и сопровождающего его поля упругой деформации (поляризации) решетки).

Команда ученых сравнивает это со старой историей о черепахе и зайце. Электроны могут очень быстро перемещаться по кремнию, но имеют тенденцию отскакивать повсюду, а это не самый эффективный путь перемещения. С другой стороны, поляроны в Re₆Se₈Cl₂ медленнее и на них не влияют другие фононы, поэтому они движутся дальше и более последовательно с течением времени.

По сути, исследователи обнаружили, что поляроны в Re₆Se₈Cl₂ движутся примерно в два раза быстрее, чем электроны в кремнии. Принимая во внимание, что ими можно управлять с помощью света, а не электричества, по оценкам команды, теоретические электронные устройства, изготовленные с использованием этого материала, могут работать на шесть порядков быстрее, чем существующие.

«С точки зрения транспортировки энергии Re₆Se₈Cl₂ является лучшим полупроводником, о котором мы знаем, по крайней мере, на данный момент», — сказал Милан Делор, автор исследования.

К сожалению, ученые говорят, что этот материал вряд ли когда-либо выйдет на рынок. Рений слишком редок и дорог для потребительских товаров. Но, доказав эту концепцию, исследователи полагают, что аналогичные, и, как можно надеется, более дешевые материалы могут демонстрировать такое же поведение.

«Теперь мы можем начать предсказывать, какие другие материалы могут обладать таким поведением, которое мы раньше не рассматривали», — сказал Милан Делор. «Существует целое семейство суператомных и других двумерных полупроводниковых материалов со свойствами, благоприятными для образования акустических поляронов».

Исследование было опубликовано в журнале Science.