Последние эксперименты исследователей из США показывают, что так называемые «горячие» электроны в графене могут частично рассеять свою энергию при помощи процесса «суперсоударений». Их работа стала экспериментальным подтверждением ранее высказанной теоретической гипотезы. Как считают исследователи, проделанная ими работа будет иметь важное значение для изготовления графеновых устройств в будущем.

Механизм потери электронами энергии при прохождении через вещество, в частности, графен имеет решающее значение для понимания того, как работают электронные устройства. Традиционно считается, что

так называемые «горячие» электроны (электроны с высокой энергией) вызывают появление фононов, т.е. квазичастиц, ассоциируемых с квантовыми колебаниями кристаллической решетки, при «остывании» до температуры, близкой к температуре окружающих атомов.

Иными словами,

энергия, которую теряет электрон, передается непосредственно фононам. Однако последняя работа американских ученых показывает, что это не единственный процесс, определяющий скорость «охлаждения» электронов.

Новый экспериментальный результат ученых из Kavli Institute в Cornell University (США) подтверждает ранее сформулированное теоретическое предсказание относительно того, что

электроны в графене могут «остывать» быстрее посредством дополнительного процесса – так называемых «суперсоударений». Этот процесс подразумевает столкновение электрона с вакансией или дефектом кристаллической решетки графена, в процессе которого импульс электрона передается дефекту. Таким образом, «горячие» электроны в реальном графене «остывают» гораздо быстрее, чем в идеализированном кристалле без каких-либо дефектов.

Экспериментальный результат был получен учеными путем измерений на PN-фотоприемнике из графена, созданном специально для этой работы. Они облучали свое устройство лазерными импульсами длительностью 100 фемтосекунд и определяли температуру контакта после охлаждения электронов. В этих экспериментах фототок, генерируемый в устройстве, эффективно использовался в роли «термометра» для «горячих» электронов, при температуре вблизи уровня Ферми в графене. За счет двух последовательных импульсов (для первоначального нагревания устройства, а затем – непосредственно для проведения измерений), ученые могли сравнить температуру с субпикосекундным разрешением по времени и с точностью в пределах нескольких градусов по шкале Кельвина. В ходе этого сравнения обнаружилось, что

скорость охлаждения и конечные температуры электронов хорошо предсказываются моделью так называемых «суперсоударений», предложенной в 2012 году учеными из Massachusetts Institute of Technology (США).

Следует отметить, что

упомянутые выше предсказания и полученный на эксперименте результат значительно отличается от того, что предсказывалось научным сообществом для графена ранее. Как было отмечено выше, ранее считалось, что электроны в графене «остывают» только за счет излучения акустических фононов. При этом «остывание» электронов, вследствие законов сохранения энергии и импульса, будет продолжаться в течение наносекунд. Новые эксперименты показывают, что модель суперсоударений доминирует, а релаксация происходит за несколько пикосекунд.

Работа ученых имеет огромное практическое значение.

Функционирование большинства устройств из графена, находящихся на сегодняшний день на стадии разработки, от фотоприемников до некремниевых транзисторов, зависит от точной модели охлаждения «горячих» электронов. А проделанные эксперименты дают первые реальные обоснования предложенной модели.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics. В ближайшее время научная группа планирует определить скорость охлаждения электронов в других новых наноструктурах, используя сходные измерительные методики.