Pesquisa aparecendo no ACS Nano revela o movimento balístico dos elétrons no grafeno em tempo real.



As observações feitas no Laboratório de Laser Ultrarrápido da Universidade do Kansas podem levar a avanços no governo dos elétrons em semicondutores, componentes fundamentais na maioria das tecnologias de informação e energia.

"Geralmente, o movimento dos elétrons é interrompido por colisões com outras partículas em sólidos", disse o autor principal Ryan Scott, estudante de doutorado no Departamento de Física e Astronomia da KU.

"Isso é semelhante a alguém correndo em um salão de baile cheio de dançarinos. Essas colisões são bastante frequentes - cerca de 10 a 100 bilhões de vezes por segundo. Elas desaceleram os elétrons, causam perda de energia e geram calor indesejado. Sem colisões, um elétron seria mover-se ininterruptamente dentro de um sólido, semelhante a carros em uma rodovia ou mísseis balísticos no ar. Chamamos isso de 'transporte balístico'."

Scott realizou os experimentos de laboratório sob a orientação de Hui Zhao, professor de física e astronomia na KU. Eles se juntaram ao trabalho do ex-aluno de doutorado da KU, Pavel Valencia-Acuna, agora pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico.

Zhao disse que os dispositivos eletrônicos que utilizam transporte balístico poderiam ser potencialmente mais rápidos, mais potentes e mais eficientes em termos energéticos.

“Os dispositivos eletrônicos atuais, como computadores e telefones, utilizam transistores de efeito de campo baseados em silício”, disse Zhao. “Nesses dispositivos, os elétrons só podem flutuar a uma velocidade da ordem de centímetros por segundo devido às frequentes colisões que encontram. O transporte balístico de elétrons no grafeno pode ser utilizado em dispositivos com velocidade rápida e baixo consumo de energia.”

Os pesquisadores da KU observaram o movimento balístico no grafeno, um material promissor para dispositivos eletrônicos de próxima geração. Descoberto pela primeira vez em 2004 e galardoado com o Prémio Nobel da Física em 2010, o grafeno é feito de uma única camada de átomos de carbono formando uma estrutura hexagonal – semelhante a uma rede de futebol.

"Os elétrons no grafeno se movem como se sua massa 'efetiva' fosse zero, tornando-os mais propensos a evitar colisões e a se mover balisticamente", disse Scott. "Experimentos eléctricos anteriores, ao estudar correntes eléctricas produzidas por tensões sob várias condições, revelaram sinais de transporte balístico. No entanto, estas técnicas não são rápidas o suficiente para rastrear os electrões à medida que se movem."

Segundo os pesquisadores, os elétrons no grafeno (ou em qualquer outro semicondutor) são como alunos sentados em uma sala de aula lotada, onde os alunos não podem se movimentar livremente porque as carteiras estão lotadas. A luz do laser pode liberar elétrons para desocupar momentaneamente uma mesa, ou “buraco”, como os físicos os chamam.

“A luz pode fornecer energia a um elétron para liberá-lo, para que ele possa se mover livremente”, disse Zhao. "Isso é semelhante a permitir que um aluno se levante e se afaste de sua cadeira. No entanto, ao contrário de um aluno com carga neutra, um elétron tem carga negativa. Depois que o elétron deixa seu 'assento', o assento fica carregado positivamente e rapidamente arrasta o elétron de volta, resultando em não mais elétrons móveis - como o aluno sentado novamente."

Devido a esse efeito, os elétrons superleves do grafeno só conseguem permanecer móveis por cerca de um trilionésimo de segundo antes de voltarem ao seu lugar. Este curto período de tempo representa um grande desafio para a observação do movimento dos elétrons. Para resolver este problema, os pesquisadores da KU projetaram e fabricaram uma estrutura artificial de quatro camadas com duas camadas de grafeno separadas por outros dois materiais de camada única, dissulfeto de molibdênio e disseleneto de molibdênio.

"Com esta estratégia, fomos capazes de guiar os elétrons para uma camada de grafeno, mantendo seus 'assentos' na outra camada de grafeno", disse Scott. “Separá-los com duas camadas de moléculas, com uma espessura total de apenas 1,5 nanômetros, força os elétrons a permanecerem móveis por cerca de 50 trilionésimos de segundo, tempo suficiente para os pesquisadores, equipados com lasers tão rápidos quanto 0,1 trilionésimos de segundo. , para estudar como eles se movem."

Os pesquisadores usam um ponto de laser bem focado para liberar alguns elétrons em sua amostra. Eles rastreiam esses elétrons mapeando a “refletância” da amostra, ou a porcentagem de luz que eles refletem.

“Vemos a maioria dos objetos porque eles refletem a luz para os nossos olhos”, disse Scott.

"Objetos mais brilhantes têm refletância maior. Por outro lado, objetos escuros absorvem luz, e é por isso que as roupas escuras ficam quentes no verão. Quando um elétron móvel se move para um determinado local da amostra, ele torna esse local ligeiramente mais brilhante, alterando a forma como os elétrons naquele local interagem com a luz. O efeito é muito pequeno - mesmo com tudo otimizado, um elétron altera apenas a refletância em 0,1 parte por milhão."

Para detectar uma mudança tão pequena, os investigadores libertaram 20.000 electrões de uma só vez, utilizando uma sonda laser para reflectir a amostra e medir esta reflectância, repetindo o processo 80 milhões de vezes para cada ponto de dados. Eles descobriram que os elétrons, em média, se movem balisticamente por cerca de 20 trilionésimos de segundo, a uma velocidade de 22 quilômetros por segundo, antes de colidirem com algo que encerra seu movimento balístico.

Mais informações: Ryan J. Scott et al, Observação espaçotemporal do transporte quase balístico de elétrons no grafeno, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c08816
Informações do diário: ACS Nano

Fornecido pela Universidade do Kansas