Eksitoniske mørke tilstande kaster lys på TMDC-atomlag

(Phys.org) – Et hold af Berkeley Lab-forskere mener, at det har afsløret hemmeligheden bag de usædvanlige optoelektroniske egenskaber af enkelt atomare lag af overgangsmetal dichalcogenid (TMDC) materialer, de todimensionelle halvledere, der lover meget til nanoelektroniske og fotoniske applikationer.

Ved hjælp af to-foton excitationsspektroskopi, forskerne undersøgte monolag af wolframdisulfid, et af de mest lovende 2D-materialer, og fandt beviser for eksistensen af ​​excitoniske mørke tilstande - energitilstande, hvor enkelte fotoner hverken kan absorberes eller udsendes. Disse excitoner blev forudsagt fra ab initio-beregninger af medlemmer af forskerholdet at have en usædvanlig energisekvens, plus excitonisk bindingsenergi og båndgab, der er langt større, end der tidligere var mistænkt for 2D TMDC-materialer.

"Opdagelsen af ​​meget store excitoniske bindingsenergier og båndgab og dens ikke-hygrogene natur i 2D-halvledermaterialer er vigtig, ikke kun for at forstå den hidtil usete lys-stof-interaktion, der opstår fra en stærk mange-legeme-effekt, men også til elektroniske og optoelektroniske applikationer, såsom ultrakompakte LED'er, sensorer og transistorer, " siger Xiang Zhang, direktør for Berkeley Labs Materials Sciences Division og lederen af ​​denne undersøgelse. "Sådan en stor bindingsenergi - 0,7 eV - kan også potentielt gøre rumtemperatur excitoner stabile for fremtidige kvanteberegningsindsatser."

Zhang har Ernest S. Kuh Endowed Chair Professor ved University of California (UC) Berkeley, leder National Science Foundations Nano-scale Science and Engineering Center, og er medlem af Kavli Energy NanoSciences Institute i Berkeley. Han og Berkeley Labs teoretiske fysiker Steven Louie, også med Materials Sciences Division og UC Berkeley, er de tilsvarende forfattere til et papir i Nature, der beskriver denne forskning. Artiklen har titlen "Probing excitonic dark states in single-layer wolfram disulfide." Medforfattere er Ziliang Ye, Ting Cao, Kevin O'Brien, Hanyu Zhu, Xiaobo Yin, og Yuan Wang.

Excitoner er bundne par af exciterede elektroner og huller, der kan forårsage betydelige afvigelser mellem fotonabsorptions- eller emissionsenergier og de elektroniske båndgab, der gør det muligt for halvledere at fungere i enheder. 2D TMDC-materialer har skabt en del buzz i elektronikindustrien, fordi de tilbyder overlegen energieffektivitet og bærer meget højere strømtætheder end silicium. Desuden, i modsætning til grafen, den anden meget udråbte 2D-halvleder, TMDC'er har begrænsede båndgab. Dette gør dem mere enhedsklare end grafen, som ikke har nogen naturlige båndgab. Imidlertid, spørgsmålstegn, der svæver over båndgab-størrelsen og den excitoniske effekt i 2D TMDC'er, har hæmmet deres udvikling.

"Ved eksperimentelt at afsløre 2D excitoniske mørke tilstande i et TMDC monolag, vi har demonstreret intense mange-elektroneffekter i denne klasse af 2D-halvledere, " siger Ziliang Ye, medlem af Zhangs forskningsgruppe og en af ​​to hovedforfattere af Naturepaper. "Vores opdagelse giver et grundlag for at udnytte de usædvanlige interaktioner mellem lys og stof, der er resultatet af stærke excitoniske effekter, og bør også muliggøre bedre design af heterostrukturer, der involverer TMDC monolag."

Ud over LED'er og fotodetektorer, opdagelsen af ​​stærkt bundne excitoniske mørke tilstande kunne også have vigtige implikationer for "valleytronics, "en meget lovende potentiel ny vej til ny elektronik og ultrahurtig databehandling.

"I valleytronics, information er indkodet i et bølgekvantetal, der beskriver, hvilken dal af energimomentum-landskabet en bærer tilhører, når den bevæger sig gennem et krystalgitter, " siger Louie. "Vores arbejde giver ny forståelse og information om de foto-exciterede tilstande, og på de resulterende bærere, hvor dalinformationen er kodet."

siger Ting Cao, et medlem af Louies forskningsgruppe og den anden hovedforfatter af Nature-papiret, "2D TMDC'er burde også være velegnede til den næste generation af fleksible enheder og bærbar elektronik."