Anisotrope plasmoner i kvasi-metalliske 2-D materialer

Fysikere fra National University of Singapore har opdaget nye mid-infrarøde anisotrope kollektive ladnings excitationer i kvasi-metalliske fase todimensionale (2-D) overgangsmetal-dichalcogenider (TMD'er).

Lavdimensionelle periodiske mønstrede strukturer, såsom 2-D-lagdelte systemer eller endimensionale (1D) lænkede strukturer i materialesystemer, udviser spændende bølgefænomener på grund af interaktionerne mellem de mange partikler i systemet (mange-kropsinteraktioner). Disse lavdimensionelle periodiske strukturer resulterer i unikke materialegenskaber, der har skabt betydelig forskningsinteresse for brug i forskellige apparatapplikationer. Kvasi-metalliske fase 2-D-TMD'er har en forvrænget sandwichkonfiguration, hvor overgangsmetalatomerne danner en 1D zig-zag kædestruktur (se figur). Denne periodiske 1D-struktur giver anledning til unikke anisotrope materialegenskaber, der i væsentlig grad påvirker de elektroniske egenskaber ved 2-D-TMD'er.

Et forskerhold ledet af professor Andrew Wee fra Institut for Fysik, NUS har direkte observeret nye mid-infrarøde regime plasmoner i kvasi-metallisk fase monolag wolfram diselenid (WSe ₂ ) og molybdendisulfid (MoS ₂ ).

WSe ₂ og MoS ₂ har to faser, en kvasi-metallisk fase og en halvledende fase. Dette fænomen er kun til stede i den kvasi-metalliske fase, men fraværende i den halvledende fase. Teoretiske beregninger ved hjælp af de første principper afslører, at disse plasmoner er anisotrope. Det betyder at, mens de er til stede i retningen vinkelret på zig-zag-overgangsmetal-kæden, de formerer sig ikke langs zig-zag kæden.

Ved at kombinere højopløsende spektroskopiske teknikker og detaljerede analyser af første principper, de langtrækkende Coulomb-interaktioner mellem zig-zag-kæderne er blevet identificeret som nøglemekanismen, der driver denne 1-D kollektive excitation. Forskergruppen postulerede også et muligt forhold mellem de observerede plasmon-excitationer og den ukonventionelle superledende mekanisme i kvasi-metalliske fase 2-D-TMD'er.

Dr. Yin Xinmao, en stipendiat på holdet, sagde, "De kvasi-metalliske fase 2-D-TMD'er består af 1D zig-zag-metalkæder stablet periodisk langs en enkelt akse, hvilket giver anledning til unikke elektroniske og optoelektroniske egenskaber. Dette fund af teamet om de melleminfrarøde plasmoner åbner potentielt op for nye måder at udnytte plasmoner i videnskabelige og tekniske applikationer som plasmoner i typiske metaller findes normalt kun i det ultraviolette område. "

Prof Wee tilføjede, "Det er vigtigt at studere disse ladningskollektive tilstande i 2-D-lænkede systemer til udvikling af næste generations applikationer. Disse spænder fra felt-effekt-transistorer til fotodetektorer og andre optoelektroniske enheder."

Teamet planlægger yderligere at undersøge sådanne nye kollektive ophidselser i andre lavdimensionelle periodiske strukturer, i håbet om at opklare mere forståelse for den utraditionelle superledning.