Физик из МФТИ показал, что электронный газ в атомарно тонком полупроводнике может переключаться между двумя устойчивыми состояниями при одинаковой мощности нагрева. Этот эффект может стать основой для создания быстрых электронных триггеров (переключателей) и элементов памяти.
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. При повышении температуры трионы распадаются, высвобождая электроны. Чем горячее электронный газ, тем быстрее идет этот процесс.
Ученый из МФТИ, исследуя, каким образом можно использовать этот процесс 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.
«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», — рассказал автор работы, студент кафедры проблем теоретической физики МФТИ Александр Шенцев.
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.
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 — подходящая основа для переключателя или ячейки памяти, которая может быть использована как в современной электронике, так и в электронике будущего.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России.
