Электронный газ в двумерном полупроводнике может переключаться между двумя устойчивыми состояниями

Физик из МФТИ показал в теоретической модели, что электронный газ в атомарно тонком полупроводнике может находиться в одном из двух устойчивых состояний при одинаковой мощности внешнего электрического поля. Переход между ними сопровождается изменением температуры электронов и концентрации свободных носителей заряда. Этот эффект, известный как бистабильность, может стать основой для новых переключателей и элементов памяти в электронике будущего. Работа опубликована в журнале Physical Review B и поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации в рамках проекта № FFWR-2024-0017.

Дихалькогениды переходных металлов, например MoSe₂, можно расщепить на чрезвычайно тонкие слои толщиной всего в несколько атомов. В монослойном состоянии такие материалы становятся прямозонными полупроводниками, способными эффективно поглощать и излучать свет. Благодаря этим свойствам они представляют интерес для разработки оптоэлектронных устройств нового поколения.

При поглощении света в полупроводнике возникают экситоны — связанные состояния электрона и дырки, то есть отсутствующего электрона в валентной зоне. Если в материале уже есть свободные, или резидентные, электроны, экситон может связать один из них и образовать трион. Энергия связи трионов в подобных материалах составляет порядка 20–30 мэВ. Соотношение между свободными электронами, экситонами и трионами влияет на электрические и оптические свойства полупроводника.

Исследователь из МФТИ изучил, как эти процессы могут помочь управлять состоянием вещества. Он рассмотрел ситуацию, в которой монослой непрерывно освещают, создавая экситоны, и одновременно нагревают с помощью низкочастотного переменного или постоянного электрического поля. Главный вопрос состоял в том, может ли система при одинаковой мощности нагрева находиться в разных устойчивых состояниях — и переключаться между ними при изменении внешних условий.

Ключевую роль в модели играет зависимость состава электронного газа от температуры. Свободный электрон может связаться с экситоном и образовать трион. Обратный процесс — диссоциация триона — происходит, когда при столкновении с электроном тот получает достаточно энергии, чтобы разрушить связанную систему. Вероятность такой ударной диссоциации экспоненциально растет с температурой электронного газа. Поэтому при нагреве количество трионов может резко уменьшаться, а концентрация свободных электронов — увеличиваться.

Однако одного температурного изменения концентрации трионов недостаточно для возникновения бистабильности. Необходимо, чтобы разные компоненты системы по-разному поглощали энергию электрического поля и отдавали ее кристаллической решетке. Свободные электроны и трионы отличаются массой и механизмами взаимодействия с окружающей средой. В рассматриваемом режиме тяжелые трионы вносят существенно меньший вклад в проводимость Друде, чем свободные электроны, а некоторые каналы их охлаждения могут быть эффективнее. В результате состояние, в котором значительная доля носителей связана в трионы, нагревается слабее.

Так возникает положительная обратная связь между температурой, составом электронного газа и поглощением энергии. Если температура немного повышается, трионы начинают распадаться быстрее. Концентрация свободных электронов растет, и они эффективнее поглощают энергию электрического поля. Дополнительный нагрев ускоряет распад оставшихся трионов, усиливая первоначальное изменение. При обратном ходе процесса увеличение доли трионов уменьшает поглощение энергии и способствует охлаждению системы.

При определенном диапазоне мощностей нагрева такая обратная связь приводит к появлению трех стационарных решений: двух устойчивых и одного неустойчивого. Холодному состоянию соответствует высокая доля электронов, связанных в трионы, а горячему — состояние, в котором значительная часть трионов распалась на свободные носители. Третье решение разделяет области притяжения двух устойчивых состояний: небольшое отклонение от него приводит систему к одному из них.

Если постепенно увеличивать мощность нагрева, система остается в холодном состоянии до достижения критического значения, после чего скачком переходит в горячее. При уменьшении мощности обратное переключение происходит при другом значении внешнего воздействия. Такая зависимость от предыстории системы называется гистерезисом. Она важна для практических приложений: благодаря ей состояние устройства может сохраняться даже после изменения управляющего сигнала. Поэтому обнаруженный механизм потенциально можно использовать для создания переключателей и ячеек памяти.

Бистабильность должна проявляться не только в изменении температуры электронного газа. Поскольку при переходе между состояниями меняется концентрация свободных носителей, должен возникать скачок электрического тока. Одновременно изменяются оптические характеристики материала — в частности, поглощение и прохождение низкочастотного излучения. Изменение соотношения между экситонами и трионами также должно отражаться на интенсивности их люминесценции. Это позволяет искать эффект сразу несколькими способами: измеряя электрический ток и исследуя оптический отклик образца.

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».

Источник: Электронный газ в двумерном полупроводнике может переключаться между двумя устойчивыми состояниями — За науку