最大化激子作为能量载体

在美军中，传感器的使用可以决定战场上的生死和成败。在日常生活中，传感器在我们的健康、安全和保障方面发挥着不可或缺的作用。

光电传感器——那些利用光粒子的物理学与电子相互作用产生美丽的电视画面，让士兵在夜间看到或检测不可见辐射的传感器——依靠半导体材料来运行。对具有改进性能和新功能的光电子产品的追求在于寻找可以扩展当前功能的新型非硅半导体。

Kyusang Lee是弗吉尼亚大学工程与应用科学学院电气与计算机工程和材料科学与工程助理教授，他以整合创新工艺开发具有可定制特性的半导体而闻名。现在，Lee 获得了空军科学研究办公室颁发的著名奖项，以研究有前途的新型半导体材料系统。

他的方法涉及构建“混合维异质结构”——也就是说，使用他在过去几年开创的技术将 2D 和 3D 半导体材料连接在一起。Lee 说，以这种方式设计的材料系统有可能有效地检测电磁波谱上的各种频率，包括紫外线、可见光和红外线，空军对此很感兴趣。

在挖掘这种潜力之前，他需要了解异质结构的光学和电子特性——特别是电荷和能量如何通过“混合电荷转移激子”移动穿过 2D-3D 结。

激子是准粒子——这意味着它们不是像光子、电子和中子这样的真正粒子——具有它们自己的功能特性，其中之一是能够在没有净电荷的情况下传输能量。激子已经广泛应用于日常产品中，例如手机显示屏和电视。但充分发挥其能力的关键是全面了解其基础科学。

根据为期三年、450,000 美元的青年研究者研究计划奖，Lee 的第一项任务是描述他提出的基于各种现有半导体材料的异质结的量子物理学——或原子级机制。为实现这一目标，他将开发一个理论模型来预测激子在这些结点上的行为。

该项目的下一阶段要求制造混合维异质结构，他将使用它来验证或修改他的量子模型预测。Lee 对激子能量的了解最终可用于设计各种光电传感技术。

他期望发现的是，激子作为能量载体的自然特性，结合他的混合维异质结构的特性，将产生高度节能的系统，这些系统非常擅长检测和发射光以覆盖地球上的广泛区域。电磁频谱。

“通过使用这种并非自然存在的工程结构，我相信我们可以有效地调整和利用这些激子，”李说。“我正在尝试使用 2D 和 3D 材料的组合来寻找工程结构和物理机制，这些材料可以将这些激子用于通用光电设备。这是该项目的关键范围。”

Lee 的异质结构以及他将用于构建它们的工艺的主要优势是能效和成本节约，从而使下一代光电设备更加实惠。那些开创性的半导体合成技术——称为远程外延、二维层转移和层分辨分裂——已在《自然》、《自然纳米技术》、《科学进展》和其他期刊上有记载。

Lee 分别在高丽大学和约翰霍普金斯大学获得学士和硕士学位，并获得博士学位。密歇根大学电气工程和计算机科学专业。作为麻省理工学院机械工程系的博士后助理，他开始研究远程外延——一种在基板上生长晶体半导体材料的方法——以及耦合 2D 和 3D 结构。

自从到达 UVA 以来，空军奖并不是 Lee 的第一个青年研究员奖。2020 年，他获得了国家科学基金会的 CAREER 奖，以表彰他利用他的合成技术设计相当于人眼的项目。

Lee 的大部分研究都围绕基础科学展开，但推动他前进的是科学与技术之间的联系——希望看到他的研究最终转化为产品。

他的研究可能影响深远，弗吉尼亚大学查尔斯·布朗电气与计算机工程系主任斯科特·阿克顿说。

“Kyusang 对激子的研究有可能制造出更好的晶体管，即计算机的构建模块，制造出更高效的太阳能电池，揭开量子计算的奥秘，并改善成像，”阿克顿说。