Электронный газ в двумерном полупроводнике может переключаться между двумя устойчивыми состояниями

Физик из МФТИ, изучая возможности создания новых триггеров и элементов памяти для электроники будущего, показал, что электронный газ в атомарно тонком полупроводнике может существовать почти одновременно в двух разных устойчивых состояниях при одной и той же мощности внешнего поля.

Дихалькогениды переходных металлов, например MoSe₂, можно расщепить до слоев толщиной в 3 атома. Тогда они превращаются в прямозонные полупроводники, которые хорошо поглощают и излучают свет, что позволяет их использовать в электронике.

После поглощения света в них возникают экситоны — связанные состояния электрона и дырки. Если в образце уже имеются резидентные электроны, экситон может связать дополнительный электрон и образовать трион. Энергия связи трионов в таких материалах составляет порядка 20–30 мэВ.

Ученый из МФТИ, исследуя, каким образом их можно использовать с целью быстрого переключения и устойчивого сохранения состояний вещества, поставил вопрос: что произойдет с монослоем, который одновременно непрерывно освещают, рождая экситоны, и разогревают низкочастотным либо постоянным электрическим полем.

Ключевой элемент рассматриваемой им модели — сильная зависимость состава системы от температуры. Свободный электрон может захватываться экситоном с образованием триона, а обратный процесс происходит при столкновении триона с достаточно горячим электроном. Вероятность такой ударной диссоциации экспоненциально увеличивается с температурой электронного газа. Поэтому при нагреве концентрация трионов может резко уменьшаться, а концентрация свободных электронов — увеличиваться.

Рисунок 1. Основные процессы в системе электронов, экситонов и трионов и рассчитанная зависимость концентраций свободных электронов и трионов от температуры электронного газа. Источник: Physical Review B.

Само по себе резкое изменение числа трионов еще не означало бы бистабильности. Она появляется потому, что свободные электроны и трионы по-разному взаимодействуют с нагревающим полем и по-разному отдают энергию кристаллической решетке. Трион значительно тяжелее электрона. В рассмотренном режиме его вклад в проводимость друде существенно меньше, тогда как эффективность некоторых каналов охлаждения, наоборот, может быть выше. Поэтому состояние, в котором большая доля электронов связана в трионы, нагревается слабее.

Возникает положительная обратная связь. Если температура немного повышается, скорость распада трионов увеличивается. Появляется больше свободных электронов, которые эффективнее поглощают энергию электрического поля. Нагрев усиливается, что приводит к дальнейшему распаду трионов. При обратном процессе увеличение числа трионов уменьшает поглощение энергии и способствует переходу системы в холодное состояние.

В определенном диапазоне мощности нагрева эта обратная связь приводит к существованию сразу трех стационарных решений: двух устойчивых и одного неустойчивого. Холодная ветвь соответствует состоянию с преимущественно связанными в трионы резидентными носителями, горячая — состоянию, в котором большая часть трионов диссоциирована. При плавном увеличении мощности система остается на холодной ветви до достижения критического значения, после чего скачком переходит на горячую. При уменьшении мощности обратный переход происходит уже при другом значении поля. Так формируется петля гистерезиса. Исследуемый гистерезис — это подходящая основа для переключателя или ячейки памяти, которая может быть использована как в современной электронике, так и в электронике будущего.

Рисунок 2. Петли гистерезиса: температура электронного газа в зависимости от интенсивности нагрева (a) и плотность электрического тока в зависимости от напряжённости поля (b). Источник: Physical Review B.

Бистабильность должна проявляться не только непосредственно в температуре электронного газа. Изменение концентрации свободных электронов приводит к скачку электрического тока. Одновременно меняются поглощение и прохождение низкочастотного излучения, а изменение соотношения экситонов и трионов должно быть видно по интенсивности их люминесценции. Таким образом, переход между двумя состояниями можно регистрировать как оптическими, так и транспортными методами.

Александр Шенцев, студент кафедры проблем теоретической физики МФТИ, прокомментировал работу: «Главная идея моего исследования состоит в том, что связывание электронов в трионы меняет тепловые и электрические свойства системы. При нагреве трионы распадаются, свободных электронов становится больше, и они сильнее поглощают энергию поля. Это дополнительно нагревает систему и ускоряет распад трионов. Благодаря такой обратной связи появляются два устойчивых состояния при одной и той же мощности нагрева. Расчеты показывают, что переключение между ними может происходить за десятки-сотни пикосекунд и сопровождаться скачками тока и интенсивности люминесценции, поэтому эффект можно искать экспериментально различными способами».

Работа опубликована в журнале Physical Review B. Исследование поддержано Министерством науки и высшего образования Российской Федерации, проект №FFWR-2024-0017.

Изображение на обложке: МФТИ

Источник: Минобрнауки России