Nye monolag ferroelektriske hybridstrukturer

Forskere ved U.S. Naval Research Laboratory (NRL), Materials Science and Technology Division, har vist, at intensiteten og spektralsammensætningen af ​​fotoluminescensen udsendt fra et enkelt monolag af wolframdisulfid (WS2) kan rumligt kontrolleres af polarisationsdomænerne i en tilstødende film af det ferroelektriske materiale blyzirconiumtitanat (PZT).

Disse domæner er skrevet i PZT ved hjælp af et ledende atomkraftmikroskop, og fotoluminescensen (PL) måles i luft ved stuetemperatur. Fordi polarisationsdomænets vægbredde i et ferroelektrisk materiale kan være så lavt som 1-10 nm, denne tilgang muliggør rumlig modulering af PL-intensitet og de tilsvarende bærerpopulationer med potentiale for opløsning i nanoskala.

Enkeltlagede overgangsmetal-dichalcogenider (TMD'er) såsom WS2 udviser slående optiske egenskaber på grund af deres direkte båndgab. Den dielektriske screening er meget lav på grund af deres todimensionelle (2D) karakter, og dermed er deres egenskaber stærkt påvirket af deres umiddelbare omgivelser, og kan modificeres og kontrolleres af variationer i lokal ladningstæthed på grund af adsorbater eller elektrostatisk gating. Dette har skabt stor interesse for en bred vifte af elektroniske og optiske apparater.

NRL-forskeren brugte et ledende atomkraftmikroskop til at skrive polarisationsdomæner ind i en PZT-film i et skakternet mønster. I hvert domæne, polarisationsdipolen peger enten op af overfladeplanet eller ned i overfladeplanet, og producerer enten positiv eller negativ ladning på PZT-overfladen, henholdsvis. Holdet overførte derefter monolag WS2, som de havde dyrket ved kemiske dampaflejringsteknikker, til PZT-filmen.

De fandt ud af, at PL-intensiteten fra WS2 kun er høj fra områder over domæner i PZT, hvor polarisationsdipolen peger ud af overfladeplanet, som vist på figuren ved siden af. Yderligere analyse afslørede, at den spektrale sammensætning af PL også var stærkt påvirket - spektrene fra "op"-domænerne var domineret af neutrale excitonbidrag (en bundet tilstand af en elektron og et hul, der stammer fra Coulomb-interaktion), mens dem fra "down"-domænerne var domineret af negativt ladet exciton, eller trion, bidrag (en exciton med en ekstra elektron).

"Ved at fremstille disse hybride 2D/3-D ferroelektriske heterostrukturer kan man målrettet designe og modulere tilstødende populationer af trioner og neutrale excitoner, at skabe laterale domæner i enhver valgfri geometri" bemærker Dr. Berend Jonker, seniorforsker og hovedforsker. Dr. Connie Li, hovedforfatter af undersøgelsen, påpeger endvidere:"Fordi FE-domænerne kan omskrives med et atomkraftmikroskop og er ikke-flygtige, dette muliggør rumlig modulering af TMD-egenskaberne med opløsning på nanometerskala."

Udbyttet inkluderer udvikling af TMD-materialer og hybride 2D/3-D heterostrukturer med ny funktionalitet, der er relevant for DoD-missionen, inklusive ultra-laveffekt elektronik, ikke-flygtig optisk hukommelse og kvanteberegning til fremtidige DoD-applikationer inden for informationsbehandling og sensing.