Observation af intervalley overgange kan booste valleytronic videnskab og teknologi

Et internationalt forskerhold ledet af forskere ved University of California, Riverside, har observeret lysemission fra en ny type overgang mellem elektroniske dale, kendt som interval transmissioner.

Forskningen giver en ny måde at udlæse dalinformation på, potentielt føre til nye typer enheder.

Nuværende halvlederteknologi bruger elektronisk ladning eller spin til at lagre og behandle information; de tilhørende teknologier kaldes elektronik og spintronics, henholdsvis. Nogle halvledere indeholder lokale energidale i deres elektronbåndstruktur, som kan bruges til at kode, behandle, og gemme oplysninger, giver anledning til en ny form for teknologi kaldet valleytronics.

"Valleytronics giver en alternativ vej til ingeniørinformationssystemer udover den konventionelle elektronik og spintronics, " sagde Chun Hung "Joshua" Lui, en adjunkt i Institut for Fysik og Astronomi ved UC Riverside, der ledede forskningen i intervalley overgange i monolag wolfram diselenid (WSe ₂ ). "Vores nye arbejde kan fremskynde udviklingen af ​​valleytronics."

Monolag WSe ₂ er et lovende valleytronic materiale, fordi det besidder to dale med modsatte dynamiske karakteristika i båndstrukturen. I øvrigt, dette materiale kan interagere stærkt med lys, lover for optisk kontrollerbare valleytronic-applikationer.

Excitoner

Når monolag WSe ₂ absorberer en foton, en bundet elektron kan frigøres i en dal, efterlader en ledig elektron eller hul. Da hullet opfører sig som en elektron med positiv ladning, elektronen og hullet kan tiltrække hinanden og danne en bundet tilstand kaldet en exciton. Sådan en begejstring, med både sin elektron og hul i den samme dal, kaldes en intravalley exciton. Nuværende excitonforskning i monolagsdalhalvledere fokuserer overvejende på intradal-excitoner, som kan udsende lys.

En elektron og et hul i modsatte dale kan også danne en exciton, kaldet en intervalley exciton, som er en ny komponent i valleytronics. Loven om momentumbevaring, imidlertid, forbyder en elektron og et hul i modsatte dale at rekombineres direkte for at udsende lys. Som resultat, intervalley excitoner er "mørke" og skjulte i det optiske spektrum.

Det UCR-ledede forskerhold har nu observeret lysemission fra intervaley excitoner i monolag WSe ₂ . Holdet fandt ud af, at selvom intervalley-excitonerne i sig selv er mørke, de kan udsende en betydelig mængde lys ved hjælp af enten defekter eller gittervibrationer i materialet.

"Spredningen med defekter eller gittervibrationer kan kompensere for momentummisforholdet mellem en elektron og et hul i modsatte dale, " sagde Lui. "Det giver os mulighed for at observere lysemissionen af ​​intervaley excitoner."

"Selvom processen indebærer spredning med defekter eller gittervibrationer, intervallet lysemission er cirkulært polariseret, " sagde Erfu Liu, en postdoc-forsker i Luis laboratorium og den første forfatter til forskningspapiret. "Sådan cirkulær lyspolarisering giver os mulighed for at identificere konfigurationen af ​​exciton -dalen. Denne optisk læsbare dalkonfiguration er afgørende for at gøre intervalley -excitoner nyttige til valleytronic -applikationer."

Trioner

Udover excitonerne, monolag WSe ₂ også vært for triioner, som består af to elektroner og et hul eller to huller og en elektron. Trions har også veldefinerede dalkonfigurationer til valleytronic-applikationer. Sammenlignet med de ladningsneutrale excitoner, bevægelsen af ​​trioner kan styres af et elektrisk felt på grund af deres netto elektriske ladning.

En trion kan generelt henfalde gennem to veje. For eksempel, for en trion bestående af et elektron-hul-par i dalen og et hul i den modsatte dal til at henfalde, elektronen kan vælge at rekombinere med hullet i den samme dal eller med hullet i den modsatte dal. Dette giver anledning til to forskellige trionforfaldsstier med intravalley og intervalley elektronhulrekombination. Det intravalle trionforfald er blevet meget undersøgt, men intervalley trion forfald er ikke blevet rapporteret indtil videre.

Det UCR-ledede hold har vist intervalley trion henfald for første gang.

"Selvom en trion kan forfalde gennem enten intradal- eller intervalley-forfald, de to overgange har samme energi og kan næppe skelnes i det optiske spektrum, " sagde Lui. "Men når et magnetfelt påføres, energierne af intradalen og intervaley overgange vil blive anderledes."

Holdet udførte eksperimenterne på National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, Florida. De viser både trionernes forfaldsstier inden for dalen og intervalley.

"Vores resultater giver en mere komplet, multipath billede af trion dynamik i monolag WSe ₂ , sagde Jeremiah van Baren, en kandidatstuderende i Luis laboratorium, der deler samme forfatterskab som Liu. "De bygger på den eksisterende single-path beskrivelse af trioner i 2-D materialer og er nøglen til at fremme trion-baseret valleytronic videnskab og teknologi."

Forskningspapiret, udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , har titlen "Multipath optisk rekombination af intervalley mørke excitoner og trioner i monolag WSe ₂ ." Relaterede resultater blev for nylig rapporteret af to andre forskerhold ledet af forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute og University of Washington.