Nano-billeddannelse af intersubbandsovergange i få-lags 2-D materialer

Halvledende heterostrukturer er nøglen til udviklingen af ​​elektronik og opto-elektronik. Mange applikationer i det infrarøde og terahertz frekvensområde udnytter overgange, kaldet intersubband -overgange, mellem kvantiserede tilstande i halvlederkvantebrønde. Disse intrabåndsovergange udviser meget store oscillatorstyrker, tæt på enhed. Deres opdagelse i III-V halvleder-heterostrukturer skildrede en enorm indflydelse inden for fysikfællesskabet for kondenseret stof og udløste udviklingen af ​​kvantebrønds infrarøde fotodetektorer samt kvantekaskadelasere.

Kvantbrønde af højeste kvalitet fremstilles typisk af molekylær stråle -epitaxy (sekventiel vækst af krystallinske lag), hvilket er en veletableret teknik. Imidlertid, det udgør to store begrænsninger:Gitter-matchning er påkrævet, begrænsning af materialefriheden til at vælge imellem, og den termiske vækst forårsager atomdiffusion og øger interface -ruheden.

2-D-materialer kan overvinde disse begrænsninger, da de naturligt danner en kvantebrønd med atomisk skarpe grænseflader. De giver defektfrie og atomisk skarpe grænseflader, muliggør dannelsen af ​​ideelle QW'er, fri for diffusive inhomogeniteter. De kræver ikke epitaksial vækst på et matchende substrat og kan derfor let isoleres og kobles til andre elektroniske systemer såsom Si CMOS eller optiske systemer såsom hulrum og bølgeledere.

Overraskende nok, intersubbandsovergange i få-lags 2-D-materialer var aldrig blevet undersøgt før, hverken eksperimentelt eller teoretisk. Dermed, i en nylig undersøgelse offentliggjort i Naturnanoteknologi , ICFO -forskere Peter Schmidt, Fabien Vialla, Mathieu Massicotte, Klaas-Jan Tielrooij, Gabriele Navickaite, ledet af ICREA Prof hos ICFO Frank Koppens, i samarbejde med Institut Lumière Matière - CNRS, Tekniske Universitet Danmark, Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter, CIC nanoGUNE, og National Graphene Institute, rapport om de første teoretiske beregninger og første eksperimentelle observation af inter-sub-band overgange i kvantebrønde i fålags halvledende 2-D materialer (TMD'er).

I deres eksperiment, forskerteamet anvendte spredningsscanning nær-felt optisk mikroskopi (s-SNOM) som en innovativ tilgang til spektralabsorptionsmålinger med en rumlig opløsning under 20 nm. De eksfolierede TMD'er, som omfattede terrasser med forskellige lagtykkelser over laterale størrelser på cirka et par mikrometer. De observerede direkte interbåndsresonanserne for disse forskellige kvantebrøndtykkelser inden for en enkelt enhed. De justerede også elektrostatisk ladningsbærertætheden og demonstrerede intersubbandsabsorption i både valens- og ledningsbåndet. Disse observationer blev suppleret og understøttet med detaljerede teoretiske beregninger, der afslørede mange-krop og ikke-lokale effekter.

Resultaterne af denne undersøgelse baner vejen mod et uudforsket felt i denne nye klasse materialer og giver et første glimt af fysik og teknologi, der muliggøres af intersubbandsovergange i 2-D-materialer, såsom infrarøde detektorer, kilder, og lasere med potentiale for kompakt integration med Si CMOS.