北京
这项研究由美国能源部伯克利实验室牵头。
美国科学家开发出一种新方法，使他们能够直接观察电子如何在二维超薄半导体内部从类固态转变为类液态波。
这项研究由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）完成。在该项目中，团队使用扫描隧道显微镜，对由二硒化钼（MoSe2）制成的半导体内部的电子和缺陷进行了成像。
研究人员发现，缺陷数量能够显著改变电子行为。据报道，这一发现可为日益小型化的电子器件提供新见解。
伯克利实验室科学家、加州大学伯克利分校物理学教授迈克·克罗米博士表示，这项研究为二维半导体中的电子行为提供了洞见。他补充说：“我们的方法为发现前所未见的电子行为打开了大门，这些行为可用于实现新的半导体能力。”
电子切换状态
晶体管、计算机芯片和传感器等传统半导体器件通常由硅基材料制成。在内部，硅原子以刚性三维金刚石立方晶格结合在一起。这使数十亿个晶体管能够封装在单个芯片上。
然而，近年来科学家越来越多地探索二维半导体，即仅由一层或几层原子制成的超薄材料。其超薄结构改变了电子的行为方式，有可能在未来半导体器件中实现新能力。
团队现在关注一种称为维格纳固体的电子状态。这是一种奇异物态，其中自由电子冻结成刚性的、类似晶体的网格，而不是像流体一样流动。在传统半导体器件中，电子行为更像是在材料中运动的独立粒子。这种状态称为费米液体。
然而，在维格纳固体中，电子之间的排斥力占主导。电子彼此分开，变得基本不动，并组织成相对有序的图案。科学家此前一直难以直接观察缺陷如何影响这些强相互作用电子。
现在，研究人员创建了一种专门装置，将二硒化钼置于石墨层与硅和氮化硼层之间。石墨中的微小孔洞使显微镜的金属探针能够扫描下方的半导体。然后，他们研究了具有不同缺陷水平的样品，并调整电子密度，以追踪维格纳固体与费米液体状态之间的转变。
缺陷改变电子行为
图像显示，根据缺陷数量的不同，结果存在巨大差异。当存在许多缺陷时，电子会锁定成一种出乎意料稳定的维格纳固体，其图案不规则且无序。
当缺陷较少时，电子反而形成更有序的三角形、类晶体图案。这些图案更容易转变为费米液体状态。
克罗米描述了他看到这些意外图像时的第一反应。他详细说道：“看到维格纳固体熔化成液体般的波浪，溅打在缺陷上，令人兴奋。我们能够看到电子如何以非常不同的方式对缺陷作出响应。”
他解释说，某些缺陷像大坑洞，而另一些则像微小的减速带。团队还需要确认这些不寻常结构是真实的电子行为，而不是显微镜产生的伪影。
为此，他们使用量子蒙特卡洛模拟，根据量子力学计算强相互作用电子应如何响应随机缺陷。模拟结果与显微镜图像密切吻合。
克罗米认为，随着电子元件缩小，控制缺陷的位置和类型可能变得越来越重要。他在一份新闻稿中总结道：“它也帮助我们更好地理解了我们在图像中观察到的行为背后的物理原理。”
该研究已发表在《自然》杂志上。
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