Энергетика, природные ресурсы, инженерные системы

Информационный портал ТЕПЛОКАРТА
  • Главная
    • Главная

      • Твердотопливные котлы и печи, камины
      • Системы отопления и охлаждения
      • Альтернативная энергия
      • Водоснабжение и водоотведение
      • Вентиляция и кондиционирование
      • Оборудование и материалы
      • Энергоэффективность и энергосбережение
      • Природные ресурсы, экология и строительство
      • Ядерная энергетика
      • Новости, обзоры, события
      • Исследования
  • Указатель терминов
  • Облако тегов
  • О портале
    • О портале

      • Контакты
      • Разместить статью
Река в русле графена. Гидродинамический поток электронов в графене. Ryan Allen and Peter Allen, Second Bay Studios
Река в русле графена. Гидродинамический поток электронов в графене. Ryan Allen and Peter Allen, Second Bay Studios

В сверхчистом графене электроны текут, подобно воде

Новости, обзоры, события

Опубликовано: 26.08.2020

Обновлено: 26.08.2020

 594

В этом высоко взаимодействующем гидродинамическом режиме электроны должны течь быстрее около центра проводящего канала и медленнее около его стенок - точно так же, как ведет себя вода, текущая по трубе

Когда электроны проходят через проводящий материал, они могут вести себя как вязкая жидкость, создавая пространственный узор, напоминающий воду, текущую по трубе. Так говорят исследователи из Израиля и Великобритании, которым впервые удалось получить с помощью сканирующего зондового микроскопа схематическое изображение этого «гидродинамического» потока. Полученный результат поможет в работе разработчикам электронных устройств будущего, особенно там, где используются 2D материалы, такие как графен, в которых будет важно учитывать гидродинамическое поведение электронов.

Все знакомы с характерными узорами, которые образует вода, текущая в реке или ручье. Когда вода встречает препятствие, например, берег реки или лодку, то картина ее течения меняется. Оказывается, то же самое справедливо и для потока электронов в твердом теле, если между ними имеется сильное взаимодействие. Однако это редко происходит в нормальных условиях, поскольку электроны, вместо взаимодействия друг с другом, постоянно сталкиваться с дефектами и примесями в материале, через который они проходят.

И наоборот, если материал имеет высокую чистоту и охлажден до низких температур, то из этого следует, что электроны должны беспрепятственно перемещаться внутри него, пока не достигнут его краев или не столкнутся со какой-нибудь стенкой. В результате такого пространственного перемещения электронов, они текут с равномерным распределением тока по материалу, осуществляя движение с одинаковой скоростью, как в его центре, так и у стенок.

Если в дальнейшем температура этого материала начнет увеличиваться, электроны станут взаимодействовать друг с другом. Тогда они будут разлетаться друг от друга чаще, чем сталкиваться с препятствиями. В этом высоко взаимодействующем гидродинамическом режиме электроны должны течь быстрее около центра проводящего канала и медленнее около его стенок - точно так же, как ведет себя вода, текущая по трубе.

В последние годы исследователи создали чрезвычайно чистые образцы из 2D-материалов, таких как графен, которые служили испытательными площадками для изучения «электронной гидродинамики». Однако подавляющее большинство этой работы до сих пор было связано с изучением движения электронов, находящихся только в определенных фиксированных положениях по периметру материала.

«С другой стороны, думая о гидродинамических свойствах движения электронов в воображении возникали изображения их динамических траекторий, создающих интересные пространственные узоры». «Ранее такие закономерности предсказывались теоретически, но их пространственного отображения никогда не производилось».

Теперь исследователи впервые изобразили наиболее достоверную пространственную структуру гидродинамического потока электронов. Изучая движение электронов, проходящих через проводящий графеновый канал, зажатый между двумя гексагональными слоями нитрида бора, снабженными электрическими контактами, они получили эту параболическую или пуазейлевскую модель течения тока.

Под действием внешнего электрического поля электроны создают градиент напряжения вдоль направления тока. К сожалению, этот локальный градиент напряжения одинаков как для гидродинамического, так и для обычного пространственного потока электронов, поэтому его нельзя использовать для различения двух режимов.

Эта проблема была решена приложением к образцу слабого магнитного поля, которое создает другой вид напряжения - напряжение Холла, которое расположено перпендикулярно направлению тока. Градиент этого напряжения сильно различается для гидродинамических и пространственных потоков.

Исследователи визуализировали модель с приложенным напряжением Холла для обоих режимов потока с помощью сканирующего зонда. Для изучения был взят чрезвычайно чувствительный к локальным электростатическим полям сверхчистый материал на основе одноэлектронного транзистора из углеродных нанотрубок, находящегося при криогенных температурах.

Проводя измерения тока, можно было наблюдать переход между режимами, в одном из которых преобладает электрон-электронное взаимодействие с равномерным течением тока, а в другом электроны перемещаются по привычным пространственным траекториям.

«Как и ожидалось, сначала наблюдалась равномерно распределенная модель течения электронов под воздействием поля Холла через графеновые каналы при низких температурах». «Однако при нагревании материала течение приобретало ярко выраженную параболическую модель, показывая меньшее значение тока около стенок и большее вблизи центра, что указывает на переход к гидродинамическому/пуазейлевскому потоку электронов».

Электронный гидродинамический эффект возникает только при повышенных температурах (в отличие от многих других видов электронных явлений, которые можно наблюдать только при очень низких температурах), и это можно применять при разработке таких устройств, как компьютерные чипы, работающие при комнатной температуре.

«Заглянув в будущее, однажды можно будет разработать принципиально новые типы электронных устройств, напрямую использующих электронную гидродинамику». «Когда электроны взаимодействуют в гидродинамическом потоке, их вязкость приводит к сильно нелокальным пространственным моделям, из которых можно получить выгоду при разработке электронных устройств».

 

Источник: Physics World

Связанная статья журнала Nature: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1788-9

0.00%
0 0
 Теги:

Публикации на похожую тему:

Фото: Продемонстрированная механическая прочность и работоспособность гибкого композитного листа в широком диапазоне температур характеризуют его как перспективный электролит для литий-металлических батарей. Предоставлено: Tokyo Metropolitan University

Гибкий керамический электролит для литиевых батарей

Обновлено: 10.02.2021
 910
Скольжение атомных слоев происходит настолько быстро, что хранение данных может происходить более чем в сто раз быстрее, чем сейчас. Фото предоставлено: Ella Maru Studios

2Д-материалы для хранения данных с меньшим потреблением энергии

Обновлено: 28.08.2021
 693
Гибридная пассивная система для радиационного охлаждения и солнечного обогрева без электричества. Предоставлено: University at Buffalo

Устройство пассивного отопления и охлаждения без электричества

Обновлено: 10.02.2021
 464

Комментарии ()

    Написать комментарий

    Flames

    Недавние публикации

    Тепло выделяется из оксида марганца, когда молекулы воды поглощаются слоистой структурой. Ⓒ Norihiko L. Okamoto

    Вода усиливает способность материала поглощать и отдавать тепло

    Обновлено: 21.04.2022  182
    Струи пламени нагревают теплообменник в печи с принудительной подачей разогретого воздуха в систему отопления. Service Champions

    Отопительные печи с принудительной подачей воздуха в помещение

    Обновлено: 07.05.2022  144
    Теплый и холодный тепловые потоки направлены на человека. VELUX

    Тепловой комфорт в зданиях: что из себя представляет и как достичь

    Обновлено: 26.03.2022  164

    Популярные категории

    • Энергоэффективность и энергосбережение44
    • Альтернативная энергия57
    • Твердотопливные котлы и печи, камины34
    • Ядерная энергетика6
    • Природные ресурсы, экология и строительство90

    Разместить статью

    Портал TEPLOKARTA.RU доступен в Google Play

    Ссылки:

    • Контакты
    • Разместить статью
    • Конфиденциальность
    VK Telegram

    © 2022 Россия. Копировать без ссылки запрещено.  TEPLOKARTA.RU

    Отправить сообщение об ошибке?

    Ошибка:
    Выделите опечатку и нажмите Ctrl + Enter, чтобы отправить сообщение об ошибке.