【原】材料|瑞士高校开发出室温条件下工作的基于激子的晶体管，为光子器件发展奠定了基础

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员创造了一种使用激子而不是电子的晶体管。该晶体管基于2D化合物半导体WSe₂和MoS₂，可在室温下有效地发挥作用，这是迄今为止难以克服的障碍。2D半导体器件为新一代光电器件奠定了基础，这些光电器件消耗的能量更少，并且比现有器件更小更快.

该研究成果发表在了《自然》杂志上。研究人员认为，他们的研究在激子学领域有许多含义，这是光子学和自旋电子学领域最有前途的新研究领域之一。

更高的能量水平

激子是准粒子，这个术语用于描述构成给定物质的粒子而不是物质本身之间的相互作用。激子由电子和电子空穴组成。当电子吸收光子并达到更高的能量水平时，两者结合在一起；“激发的”电子留下了先前能量水平的一个空穴，在带理论中，它被称为价带。这个空穴也是一个准粒子，表明该带中缺失的电子。

由于电子带负电并且空穴带正电，因此两个颗粒通过静电力保持结合。电子和空穴之间的这种结合称为库仑引力。正是在这种紧张和平衡的状态下，它们形成了一种激动。当电子最终落回到空穴中时，它会发射出一个光子。由此，激子不再存在。更简单地说，一个光子进入电路的一端并从另一端出来；在内部，它产生一个像粒子一样的激子。

性能提升

直到最近，研究人员才开始在电子电路的背景下研究激子的性质。激子中的能量一直被认为太脆弱了，而且激子的寿命太短，尚未在这个领域引起任何真正的兴趣。此外，激子只能在极低温度（约-173℃）的电路中产生和控制。

当EPFL研究人员发现如何控制激子的寿命以及如何移动激子时，这一突破就来了。他们通过使用两种2D材料来做到这一点：WSe₂和MoS₂。 “这些材料中的激子表现出特别强的静电键，更重要的是，它们在室温下不会很快被破坏，”Kis解释道。

研究人员还能够通过使用电子总能找到通向MoS₂的事实来显着延长激子的寿命，同时空穴总是在WSe₂中结束。并且，与两位日本研究人员合作，他们通过用氮化硼（BN）保护半导体层来保持激子更长时间。

研究人员说，“我们创造了一种特殊类型的激子，其中双方的距离比传统的粒子更远，这延迟了电子返回空穴并产生光的过程。此时，当激子以偶极子形式保持稍长时间时，它们可以通过电场控制和移动。”

研究意义

EPFL纳米电子与结构实验室（LANES）负责人Andras Kis说，“我们的研究表明，我们已经通过操纵激子开启了一种全新的电子路径”。

这一突破为光电子器件奠定了基础，这些器件消耗的能量更少，并且比现有器件更小更快。此外，可以将光传输和电子数据处理系统集成到同一器件中，这将减少所需的操作数量并使系统更有效。

参考文献

'Room-temperature electrical control of exciton flux in a van der Waals heterostructure' by Dmitrii Unuchek et al; Nature 25 July 2018