Skiftende dimensioner:Spændende excitoner i phosphoren

Siden opdagelsen i 2014, phosphoren - et ark fosforatomer, der kun er et enkelt atom tykt - har fascineret forskere på grund af dets unikke optoelektroniske anisotropi. Med andre ord, elektroner interagerer med lys og bevæger sig kun i en retning. Denne anisotropi betyder, at på trods af at den er todimensionel (2-D), phosphoren viser en blanding af egenskaber, der findes i både endimensionelle (1-D) og 2-D materialer. Forskere mener, at phosphorens karakteristiske quasi-1-D-karakter kan udnyttes til at udvikle nye, innovative optoelektroniske enheder, fra lysdioder til solceller.

Nu, forskere fra Femtosecond Spectroscopy Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har belyst, hvordan excitoner - en ophidset tilstand af kernen i optoelektronik - bevæger sig og interagerer inden for phosphoren.

"På grund af anisotropien, excitoner opfører sig på en virkelig unik måde i phosphoren sammenlignet med andre 2-D materialer, som vi først lige er begyndt at forstå, "sagde Vivek Pareek, Ph.d. studerende og første forfatter til undersøgelsen, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve .

Excitoner dannes, når et materiale absorberer en foton, får en elektron til at blive spændt til en højere energitilstand. Dette efterlader et positivt ladet "hul", hvor elektronen plejede at opholde sig i sin oprindelige energitilstand, som tiltrækkes af den negativt ladede ophidsede elektron. Det resulterende bundne elektronhulspar-excitonen-kan derefter bevæge sig gennem materialet og interagere med andre excitoner.

Men excitoner er kortvarige, og med tiden, ophidsede elektroner "falder" tilbage i hullerne. For at gøre det, excitoner kan enten udsende en foton - en proces kaldet radiativ rekombination - eller de kan kollidere med hinanden, overføre varme til materialet-en ikke-strålende rekombination kaldet exciton-exciton tilintetgørelse.

"Exciton-exciton-interaktion, eller tilintetgørelse, er meget forskellig i 1-D og 2-D systemer, "forklarede Pareek." Vi kan derfor bruge exciton-exciton-tilintetgørelse som et værktøj til at undersøge arten af ​​interaktioner i kvasi-1-D-phosphoren. "

Undersøgelse af fosfor

Forskerne brugte en laser til at sende to lyspulser ved phosphoren - en pumpepuls til at excitere elektronerne for at danne excitoner, og en sondepuls til at fange exciton-exciton-tilintetgørelsen, der fandt sted i løbet af de første hundrede picosekunder (billioner af et sekund). Ved at ændre pumpens effekt, forskerne ændrede den oprindelige tæthed af dannede excitoner.

Teamet fandt ud af, at efterhånden som excitontætheden steg, exciton-exciton tilintetgørelse ændret i dimension, skift fra 1-D til 2-D. Forskerne viser, at dette dimensionelle skift skete på grund af phosphorens anisotropiske egenskaber, som opstår på grund af materialets usædvanlige struktur. Denne anisotropi får excitoner til at bevæge sig hurtigere i den ene retning langs gitteret og bevæge sig langsommere i den anden retning. Derfor, ved lave excitontætheder, interaktioner mellem excitoner forekommer overvejende kun i én dimension - langs den mere gunstige retning. Men da excitontætheden blev øget, hvilket resulterer i mindre afstande mellem excitoner, interaktioner begyndte at forekomme i begge dimensioner.

Forskerne undersøgte også temperaturens effekt på exciton-exciton udslettelse. Da holdet afkølede fosforflagerne, exciton-exciton tilintetgørelse tilbageført fra 2-D til 1-D, selv ved høje excitontætheder.

"Denne undersøgelse viser, at vi kan kontrollere, om exciton-exciton-tilintetgørelse sker i en eller to dimensioner, afhængigt af betingelser, vi sætter, sagde Dr. Julien Madéo, OIST-personaleforsker og medforfatter af undersøgelsen. "Dette afslører en ny, interessant egenskab af phosphoren, forbedre sine muligheder som et nyt materiale i optoelektroniske enheder. "