艺术描绘了由超短激光脉冲驱动的电子转移，穿过两种原子薄材料之间的界面。这种转移是由层间“桥”状态促进的，由于两种材料中的晶格振动，电子能够进入该状态
（图片来源: Gregory M. Stewart/SLAC.）
研究人员发现，电子在半导体层之间的传热中起着令人惊讶的作用，这对下一代电子设备具有重要意义。
随着半导体器件变得越来越小，研究人员正在探索二维（2D）材料在晶体管和光电子学中的潜在应用。控制通过这些材料的电和热的流动是它们功能的关键，但首先我们需要了解原子尺度上这些行为的细节。
现在，研究人员发现，电子在2D半导体材料二硒化钨（WSe 2）和二硫化钨（WS2）层之间的能量转移中起着令人惊讶的作用。研究人员发现，虽然这些层彼此之间没有紧密结合，但电子在它们之间提供了一个桥梁，促进了快速的传热。
“我们的工作表明，我们需要超越乐高积木的类比来理解不同2D材料的堆栈，即使这些层彼此之间没有牢固地结合在一起，”美国能源部（DOE）劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的科学家Archana Raja说。“事实上，看似不同的层通过共享的电子路径进行通信，使我们能够访问并最终设计出大于零件总和的属性。
研究人员在《》的一篇论文中报告了他们的发现，这些发现结合了超快，原子级温度测量和广泛的理论计算的见解。
“这项实验的动机是关于纳米级结中原子运动的基本问题，但这些发现对未来电子设备的能量耗散有影响，”该论文的共同第一作者，目前是斯坦福大学的研究科学家Aditya Sood说。“我们很好奇当热量在两种材料之间流动时，电子和原子振动是如何相互耦合的。通过以原子精度放大界面，我们发现了一种令人惊讶的有效机制。
研究人员研究了由WSe 2和WS2的堆叠单层组成的设备。这些设备是由伯克利实验室分子铸造厂的Raja小组制造的，他们完善了使用透明胶带去除半导体的晶体单层的艺术，每个半导体的厚度小于1nm。使用在自制堆叠显微镜下对齐的聚合物印章，这些层彼此沉积并精确放置在微观窗口上，以允许电子通过堆叠传输。
在美国能源部SLAC国家加速器实验室进行的实验中，该团队使用了一种称为超快电子衍射（UED）的技术来测量堆栈中各个层的温度，同时光学激发WSe 2层中的电子。UED充当“电子相机”，捕获每层内的原子位置。通过将激发和探测脉冲之间的时间间隔改变万亿分之一秒，研究人员可以独立跟踪每层的温度变化，使用理论模拟将观察到的原子运动转换为温度。
“这种UED方法提供了一种直接测量这种复杂异质结构内温度的新方法，”斯坦福大学该论文的合著者Aaron Lindenberg说。“这些层相距只有几埃，但我们可以有选择地探测它们的响应，并且由于时间分辨率，我们可以在基本时间尺度上探测这些结构之间如何以新的方式共享能量。
他们发现，正如预期的那样，激发的WSe 2层升温了。但令他们惊讶的是，WS2层也同时升温，表明各层之间的热量快速传递。相比之下，当它们没有激发WSe 2中的电子，而是使用金属接触层加热异质结构时，WSe 2和WS2之间的界面传递热量非常差，证实了以前的报道。
“看到两层在光激发后几乎同时升温是非常令人惊讶的，这促使我们对正在发生的事情有更深入的了解，”Raja说。
为了理解他们的观察结果，该团队采用了理论计算，使用基于密度泛函理论的方法来模拟原子和电子在这些系统中的行为。对于这项工作，他们得到了能源材料中激发态现象计算研究中心（C2SEPEM）的支持，该中心是美国能源部资助的伯克利实验室计算材料科学中心。
研究人员对分层2D WSe 2 / WS2的电子结构以及层内晶格振动的行为进行了广泛的计算。就像松鼠沿着树枝定义的路径奔跑并偶尔在它们之间跳跃来穿越森林树冠一样，材料中的电子仅限于特定的状态和过渡（称为散射）。了解这种电子结构可以为解释实验结果提供指导。
“使用计算机模拟，我们探索了由于晶格振动，一层中的电子最初想要散射到哪里，”该论文的共同第一作者，现在是伯克利实验室材料科学部的博士后研究员Jonah Haber说。 “我们发现它想要散射到这种混合状态 - 一种'胶水状态'，电子同时在两层中悬挂。我们对这些胶水状态现在的样子以及它们的特征有一个很好的了解，这让我们相对自信地说，其他2D半导体异质结构的行为方式相同。
大规模的分子动力学模拟证实，在没有共享电子“胶状态”的情况下，热量从一层移动到另一层需要更长的时间。这些模拟主要在国家能源研究科学计算中心（NERSC）进行。
“这里的电子正在做一些重要的事情：它们正在充当散热的桥梁，”斯坦福大学的合著者Felipe de Jornada说。如果我们能够理解和控制这一点，它就为半导体器件的热管理提供了一种独特的方法。
