物理学者は、2次元ショットキーダイオードのスケーリングの法則を明確にしました

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ビデオ: 物理学者によると、私たちの世界は2次元の可能性がある!? 2022, 12月
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Anonim
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シンガポールの物理学者は、2Dショットキーダイオードの飽和電流を温度に関連付けるスケーリング則を明らかにしました。科学者たちは、法則が3次元の場合とは異なることを示しただけでなく、この問題を調査して互いに矛盾した以前の研究の結果を要約しました。見つかったパターンは、2次元のナノ電子およびオプトエレクトロニクスデバイスを開発する実験者の作業を簡素化します。この記事はPhysicalReview Lettersに掲載され、Physicsによって簡単に報告されました。作品のプレプリントは、arXiv.orgのWebサイトに掲載されています。

金属と半導体を接続すると、それらの間の界面にポテンシャル障壁が生じ、電子が材料間を通過するのを防ぎます。ショットキー障壁と呼ばれるこの障壁の高さは、金属と半導体の仕事関数の差に等しくなります。電荷キャリアの平均運動エネルギー(温度)がバリアの高さよりもはるかに大きい場合、粒子はバリアを自由に飛び越え、接触はオーミックになります。つまり、回路内の追加の抵抗と見なすことができます。 。反対の状況では、粒子のエネルギーは障壁を克服するのに十分ではないため、接点は一方向にのみ電流を流します(ショットキー接点)。この特性により、光検出器、ソーラーパネル、電気スイッチで積極的に使用されている半導体ショットキーダイオードの構築が可能になります。

理想的なショットキーダイオードを流れる電流の大きさは、デバイスに印加される電圧Vに指数関数的に依存します。I= J [exp(eV / kT)-1]、ここでJは飽和電流、eは電子電荷、 Tは温度です(ショックリー方程式)。 2次元境界を持つ従来の3次元ダイオードの場合、飽和電流と温度は、一般化されたリチャードソンの式によって関連付けられます。log(J /Tβ)= A-B / T、指数β= 2。ここでA、 Bは、材料のタイプと接続の形状に依存するいくつかの定数です。この関係により、バリアの高さを決定でき、ダイオードの設計で重要な役割を果たします。

一方、近年、物理学者は2次元ショットキーダイオード(2次元導体の接点)にますます直面しています。たとえば、そのような接触は必然的にナノエレクトロニクスまたはオプトエレクトロニクスで発生します。通常、このような状況では、科学者は、指数β= 2のリチャードソンの公式が引き続き成立すると想定しますが、2次元の材料の動作は3次元の場合とは異なることがよくあります。この問題に取り組んださまざまな研究が互いに矛盾しているという事実によって状況は複雑になっています。たとえば、Lay KeeAngによるShi-JunLiangの理論記事では、グラフェンに基づくショットキーダイオードのβ= 3と予測されており、以前の研究ではDhiraj SinhaとJiUng Leeは、β= 1と述べています。

Lay Kee Angが率いる科学者のグループは、2次元ショットキーダイオードの定数βの正確な値を確立することにより、この問題を明らかにしました。このために、物理学者は、2つの根本的に異なるタイプのダイオード(横方向と縦方向)の電荷の移動とエネルギーと運動量の比率を理論的に検討しました。垂直ダイオードでは、2次元導体の層(たとえば、グラフェンシート)が両方の材料の表面に「完全に」接触します。ラテラルダイオードでは、導体はその側面で表面の1つに接触します。つまり、1次元の接触を形成します。最初のステップで、科学者は最も一般的な形式で方程式を解き、電荷キャリアの性質に関係なく、さまざまなダイオード設計のβ値を決定し、特定の例で得られた結果を確認しました。

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潜在的なショットキー障壁を通過する電子のトンネリング(a);垂直2次元ショットキーダイオード(b);横方向の2次元ショットキーバリア(c)

その結果、研究者らは、ラテラルダイオードの場合、β= 3/2、A = 0の普遍的なスケーリング則を発見しました。物理学の3次元の場合との違いは次のように定性的に説明されます。三次元の公式では、値β= 2は、電子の分散と熱電子トンネリングプロセスの間の強い関係のために生じます。この場合、縦方向の運動量に関連するエネルギー成分は「分割」されるため、定数βはそれに依存する可能性があります。一方、2次元ラテラルダイオードでは「スプリットオフ」が発生せず、その結果、指数はβ= 3/2に減少します。科学者たちは、非相対論的な二次元電子ガス、グラフェン、ワイル半金属を含む7つの異なる導体についてこの結果を確認しました。

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科学者がより詳細な計算を行った電荷キャリアのエネルギー面の例

垂直ダイオードの場合は、その中の電子が互いに散乱したり、接合部の不均一性によって散乱したりする可能性があるため、もう少し複雑であることがわかりました。このため、βの値は、電荷キャリアの運動量の縦成分が保存されているかどうかに依存します。この成分が保存されている場合、一部の電子は束縛されて障壁を乗り越えることができず、飽和電流は温度低下とともに特に急激に変化します:β= 3。散乱がパルスの縦成分と横成分を「混合」する場合、変化ははるかにスムーズに発生します。β= 1興味深いことに、グラフェンを使用した実験では、両方のタイプの動作が観察されました。特に、Liang-AnとSinha-Liの作品の異なる結果を説明しています。新しい記事で、科学者たちはついに両方の結果を説明するモデルを構築しました。

原則として、ダイオードは電流で動作しますが、物理学者は他のプロセスのためにこのデバイスの類似体も考え出しました。たとえば、香港科技大学の科学者たちは、水を一方向にしか通過できないマイクロ流体デバイスである「ウォーターダイオード」を開発しました。南京大学の3Dエンジニアは、音と同様の特性を持つチャネル(「音響ダイオード」)を印刷しました。また、AMOLF研究所とテキサス大学の研究者は、「機械的ダイオード」を開発しました。これは、機械的ストレス下で一方向にしか移動できないメタマテリアルです。

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