研究人员发布了一项新研究，调查一种名为极化子（polaron）的准粒子在一种称为碲烯（tellurene）的纳米材料中的行为。碲烯于2017年开发，由微小的碲原子链组成，具有多种应用的有利特性，包括传感器、电子、光学和能源设备。
为了理解物质在非常小的尺度上是如何运作的，科学家们常常使用简单的类比来描述集体现象——就像一群鸟一起飞翔被称为“鸟群”（flock）或“聚集”（murmuration）。与这些术语相关的效果，被称为准粒子，可能对未来的技术突破至关重要。
在最近发表在Science Advances的文章中，由莱斯大学（Rice University）副教授、专门研究电气和计算机工程以及材料科学和纳米工程的黄胜熙（Shengxi Huang）领导的团队探讨了极化子在碲烯中的行为。
“当我们将碲烯的厚度减少到仅几纳米时，其电子和光学特性与其块体形式相比发生了显著变化，”莱斯大学的博士毕业生、研究的主要作者张昆艳（Kunyan Zhang）解释道。“这些变化特别影响了电流在材料中的移动方式以及其振动方式，这些变化我们归因于极化子在材料变薄时的转变。”
极化子是在带电粒子（如电子）与材料的原子或分子结构的振动相互作用时产生的。想象一下在一个拥挤的讲座大厅中手机响起的情形：正如观众的注意力转向声音一样，晶格振动围绕着电荷载流子适应，形成一个局部极化区域——因此得名“极化子”。
这个局部区域的强度可能会因碲烯层的厚度而大幅变化。理解极化子的演变至关重要，因为它揭示了振动和电子之间的基本相互作用如何影响材料特性，特别是在纳米尺度的维度上。
“这些知识可能导致开发尖端技术，例如更高效的电子设备或新型传感器，同时增强我们对材料在最小尺度上所涉及的物理原理的理解，”黄表示，他是该研究的通讯作者。
该团队假设，随着碲烯从块体材料过渡到纳米厚度，极化子从宽广、分散的电子-振动相互作用转变为更紧凑、局部的相互作用。他们的假设得到了计算机模拟和实验观察的支持。
“我们分析了振动的频率和线宽如何随厚度变化，并将这些变化与电气传输性质的修改相关联，同时通过X射线吸收光谱观察到的结构变化，”张进一步阐述道。“此外，我们开发了一种场理论，以澄清在较薄层中增强的电子-振动耦合的影响。”
这种广泛的方法使团队深入理解了碲烯中的极化子动态如何受到材料厚度的影响，揭示了比先前建立的更多的知识。这一进展得益于研究技术的提升和近期可获取的高质量碲烯样品。
“我们的发现突显了极化子如何影响碲烯中的电气传输和光学特性，尤其是在其变薄时，”张指出。“在较薄的层中，极化子通常会局部化电荷载流子，从而降低电荷载流子的移动性——在设计依赖于较薄材料以实现高效的先进设备时，这是一个重要的因素。”
降低的电荷移动性可能会妨碍电子元件的功能，特别是在高导电性至关重要的地方，如电力线路或先进计算系统。然而，这种局部化效应可能有利于开发高度敏感的传感器、相变材料、铁电材料、热电材料以及某些类型的量子设备。
“我们的研究为碲烯等材料的工程奠定了基础，专注于实现这些相互竞争因素之间的平衡，”黄补充道。“这为创造更薄、更高效的设备提供了宝贵的见解，同时应对低维材料所带来的独特挑战，这对下一代电子和传感器的发展至关重要。”
这项研究得到了美国国家科学基金会（资助编号2246564, 1943895, 2230400, 2329111, 2118448, 2046936）、美国空军科学研究办公室（资助编号FA9550-22-1-0408, FA2386-21-1-4064）、威尔奇基金会（C-2144）和美国能源部（资助编号DE-SC0020148, DE-AC02-06CH11357, DE-AC02-05CH11231, BES-ERCAP0024568, DE-AC05-00OR22725）的资助。作者对内容负责，该内容不一定代表资助机构的观点。
