L'équipe de recherche utilise des excitons pour emmener l'électronique dans le futur

Anonim

Les excitons pourraient révolutionner la façon dont les ingénieurs abordent l'électronique. Une équipe de chercheurs de l'EPFL a créé un nouveau type de transistor - l'un des composants des circuits - utilisant des excitons au lieu d'électrons. Notamment, leur transistor à exciton fonctionne efficacement à température ambiante, un obstacle jusque-là insurmontable. Ils y sont parvenus en utilisant deux matériaux à deux dimensions comme semi-conducteurs. Leur étude, publiée aujourd'hui dans Nature, a de nombreuses implications dans le domaine des excitonics, un nouveau domaine d'étude prometteur parallèlement à la photonique et à la spintronique.

"Nos recherches ont montré qu'en manipulant les excitons, nous avions découvert une toute nouvelle approche de l'électronique", explique Andras Kis, qui dirige le Laboratoire d'électronique et structures à l'échelle nanométrique de l'EPFL (LANES). "Nous assistons à l'émergence d'un domaine d'étude totalement nouveau, dont nous ne connaissons pas encore toutes les possibilités."

Cette percée ouvre la voie aux dispositifs optoélectroniques qui consomment moins d'énergie et sont à la fois plus petits et plus rapides que les appareils actuels. En outre, il sera possible d’intégrer les systèmes de transmission optique et de traitement électronique des données au même dispositif, ce qui réduira le nombre d’opérations nécessaires et rendra les systèmes plus efficaces.

Niveau d'énergie supérieur

Les excitons sont en réalité des quasi-particules, un terme utilisé pour décrire l'interaction entre les particules qui composent une substance donnée plutôt que la substance elle-même. Les excitons sont constitués d'un électron et d'un trou d'électron. Les deux sont liés lorsque l'électron absorbe un photon et atteint un niveau d'énergie plus élevé; l'électron "excité" laisse derrière lui un trou dans le niveau d'énergie précédent, ce qui, dans la théorie des bandes, s'appelle une bande de valence. Ce trou, également une quasiparticule, est une indication de l’électron manquant dans cette bande.

Comme l'électron est chargé négativement et que le trou est chargé positivement, les deux particules restent liées par une force électrostatique. Ce lien entre l'électron et le trou est appelé attraction de Coulomb. Et c'est dans cet état de tension et d'équilibre qu'ils forment un exciton. Lorsque l'électron retombe finalement dans le trou, il émet un photon. Et avec cela, l'exciton cesse d'exister. Plus simplement, un photon entre à une extrémité du circuit et sort de l'autre; tandis qu'à l'intérieur, il en résulte un exciton qui agit comme une particule.

Double succès

Ce n'est que récemment que les chercheurs ont commencé à examiner les propriétés des excitons dans le contexte des circuits électroniques. L'énergie des excitons a toujours été considérée comme trop fragile et la durée de vie des excitons trop courte pour avoir un réel intérêt dans ce domaine. De plus, les excitons ne pouvaient être produits et contrôlés que dans des circuits à des températures extrêmement basses (environ -173 degrés C).

La percée a eu lieu lorsque les chercheurs de l'EPFL ont découvert comment contrôler la durée de vie des excitons et comment les déplacer. Pour ce faire, ils ont utilisé deux matériaux à deux dimensions: le diséléniure de tungstène (WSe 2) et le disulfure de molybdène (MoS 2). "Les excitons dans ces matériaux présentent une liaison électrostatique particulièrement forte et, plus important encore, ils ne sont pas rapidement détruits à température ambiante", explique Kis.

Les chercheurs ont également pu allonger de manière significative la durée de vie des excitons en exploitant le fait que les électrons ont toujours trouvé leur chemin vers le MoS 2 alors que les trous se retrouvaient toujours dans le WSe 2. Les chercheurs ont maintenu les excitons encore plus longtemps en protégeant les couches semi-conductrices avec du nitrure de bore (BN).

"Nous avons créé un type spécial d'exciton, où les deux côtés sont plus éloignés que dans la particule conventionnelle", explique Kis. "Cela retarde le processus dans lequel l'électron retourne au trou et la lumière est produite. C'est à ce stade, lorsque les excitons restent sous forme dipolaire pendant un peu plus longtemps, qu'ils peuvent être contrôlés et déplacés en utilisant un champ électrique."

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