Fysikere kaster lys over en solid måde at forlænge excitons levetid

Optikforskere ved University of Texas i Dallas har for første gang vist, at en ny metode til fremstilling af ultratynde halvledere giver materiale, hvor excitoner overlever op til 100 gange længere end i materialer skabt med tidligere metoder.

Resultaterne viser, at excitoner, kvasipartikler, der transporterer energi, holder længe nok til en bred vifte af potentielle anvendelser, herunder som bits i kvanteberegningsenheder.

Dr. Anton Malko, professor i fysik ved School of Natural Sciences and Mathematics, er den tilsvarende forfatter til en artikel offentliggjort online den 30. marts i Advanced Materials der beskriver test på ultratynde halvledere lavet med en nyligt udviklet metode kaldet laserassisteret synteseteknik (LAST). Resultaterne viser ny kvantefysik på arbejde.

Halvledere er en klasse af krystallinske faste stoffer, hvis elektriske ledningsevne er mellem en leders og en isolator. Denne ledningsevne kan styres eksternt, enten ved doping eller elektrisk gating, hvilket gør dem til nøgleelementer for de dioder og transistorer, der understøtter al moderne elektronisk teknologi.

Todimensionelle overgangsmetal-dichalcogenider (TMD'er) er en ny type ultratynde halvledere, der består af et overgangsmetal og et chalkogen-element arrangeret i ét atomlag. Mens TMD'er er blevet udforsket i et årti eller deromkring, har den 2D-form, som Malko undersøgte, fordele med hensyn til skalerbarhed og optoelektroniske egenskaber.

"LAST er en meget ren metode. Du tager ren molybdæn eller wolfram og ren selen eller svovl og fordamper dem under intenst laserlys," sagde Malko. "Disse atomer er fordelt på et substrat og gør det todimensionelle TMD-lag mindre end 1 nanometer tykt."

Et materiales optiske egenskaber er delvist bestemt af excitonernes adfærd, som er kvasipartikler, der kan transportere energi, mens de forbliver elektrisk neutrale.

"Når en halvleder absorberer en foton, skaber den i halvlederen en negativt ladet elektron parret med et positivt hul, for at opretholde neutral ladning. Dette par er excitonen. De to dele er ikke helt fri fra hinanden - de har stadig en Coulomb interaktion mellem dem," sagde Malko.

Malko og hans team var overraskede over at opdage, at excitoner i LAST-producerede TMD'er varede op til 100 gange længere end i andre TMD-materialer.

"Vi fandt hurtigt ud af, at optisk set opfører disse 2D-prøver sig helt anderledes end dem, vi har set i 10 år med TMD'er," sagde han. "Da vi begyndte at se dybere på det, indså vi, at det ikke er et lykketræf; det kan gentages og afhænger af vækstbetingelserne."

Disse længere levetider, mener Malko, er forårsaget af indirekte excitoner, som er optisk inaktive.

"Disse excitoner bruges som en slags reservoir til langsomt at fodre de optisk aktive excitoner," sagde han.

Hovedstudieforfatter Dr. Navendu Mondal, en tidligere UT Dallas postdoc-forsker, som nu er Marie Skłodowska-Curie Individual Fellow ved Imperial College London, sagde, at han mener, at de indirekte excitoner eksisterer på grund af den unormale mængde belastning mellem monolag TMD-materialet og substrat, som det vokser på.

"Strain-kontrol i atomisk tynde monolag af TMD'er er et vigtigt værktøj til at skræddersy deres optoelektroniske egenskaber," sagde Mondal. "Deres elektroniske båndstruktur er meget følsom over for strukturelle deformationer. Under nok belastning forårsager båndgab-modifikationer dannelsen af ​​forskellige indirekte 'mørke' excitoner, som er optisk inaktive. Gennem dette fund afslører vi, hvordan tilstedeværelsen af ​​disse skjulte mørke excitoner påvirker disse excitoner skabt direkte af fotoner."

Malko sagde, at den indbyggede belastning i 2D TMD'er er sammenlignelig med, hvad der ville blive induceret ved at trykke på materialet med eksternt placerede mikro- eller nanostørrelsessøjler, selvom det ikke er en holdbar teknologisk mulighed for sådanne tynde lag.

"Denne stamme er afgørende for at skabe disse optisk inaktive, indirekte excitoner," sagde han. "Hvis du fjerner substratet, frigøres belastningen, og denne vidunderlige optiske respons er væk."

Malko sagde, at de indirekte excitoner både kan styres elektronisk og omdannes til fotoner, hvilket åbner en vej til udviklingen af ​​nye optoelektroniske enheder.

"Denne øgede levetid har meget interessante potentielle anvendelser," sagde han. "Når en exciton kun har en levetid på omkring 100 picosekunder eller mindre, er der ikke tid til at bruge den. Men i dette materiale kan vi skabe et reservoir af inaktive excitoner, der lever meget længere – nogle få nanosekunder i stedet for hundredvis af picosekunder. Du kan gøre meget med det her."

Malko sagde, at resultaterne af forskningen er et vigtigt proof-of-concept for fremtidige enheder i kvanteskala.

"Det er første gang, vi kender til, at nogen har lavet denne grundlæggende observation af sådanne langtidslevende excitationer i TMD-materialer - længe nok til at kunne bruges som en kvantebit - ligesom en elektron i en transistor eller endda bare til lysindsamling i en solcelle," sagde han. "Intet i litteraturen kan forklare disse superlange exciton-levetider, men vi forstår nu, hvorfor de har disse egenskaber."

Forskerne vil dernæst forsøge at manipulere excitoner med et elektrisk felt, hvilket er et vigtigt skridt i retning af at skabe logiske elementer på kvanteniveau.

"Klassiske halvledere er allerede blevet miniaturiseret ned til døren, før kvanteeffekter ændrer spillet fuldstændig," sagde Malko. "Hvis du kan påføre gate-spænding og vise, at 2D TMD-materialer vil fungere til fremtidige elektroniske enheder, er det et kæmpe skridt. Det atomare monolag i 2D TMD-materiale er 10 gange mindre end størrelsesgrænsen med silicium. Men kan du skabe logiske elementer på den størrelse? Det er det, vi skal finde ud af." + Udforsk yderligere

Atomisk tynde halvledere til nanofotonik