Forskere skaber ultratynde halvleder-heterostrukturer til nye teknologier

Heterostrukturer dannet af forskellige tredimensionelle halvledere danner grundlaget for moderne elektroniske og fotoniske enheder. Nu, Forskere fra University of Washington har med succes kombineret to forskellige ultratynde halvledere - hver kun et lag atomer tykt og omkring 100, 000 gange tyndere end et menneskehår - for at lave en ny todimensionel heterostruktur med potentielle anvendelser inden for ren energi og optisk aktiv elektronik. Holdet, ledet af Boeing Distinguished Associate Professor Xiaodong Xu, annoncerede sine resultater i et papir offentliggjort 12. februar i tidsskriftet Videnskab .

Seniorforfatter Xu og hovedforfatterne Kyle Seyler og Pasqual Rivera, begge ph.d.-studerende i UW fysikafdeling, syntetiserede og undersøgte de optiske egenskaber af denne nye type halvledersandwich.

"Det, vi ser her, er forskelligt fra heterostrukturer lavet af 3-D halvledere, " sagde Xu, der har fælles ansættelser i Institut for Fysik og Institut for Materialevidenskab og Teknik. "Vi har skabt et system til at studere de særlige egenskaber af disse atomisk tynde lag og deres potentiale til at besvare grundlæggende spørgsmål om fysik og udvikle nye elektroniske og fotoniske teknologier."

Når halvledere absorberer lys, par af positive og negative ladninger kan dannes og bindes sammen for at skabe såkaldte excitoner. Forskere har længe undersøgt, hvordan disse excitoner opfører sig, men når de presses ned til 2-D grænsen i disse atomært tynde materialer, overraskende interaktioner kan forekomme.

Mens traditionelle halvledere manipulerer strømmen af ​​elektronladning, denne enhed gør det muligt at bevare excitoner i "dale, " et koncept fra kvantemekanikken, der ligner elektronernes spin. Dette er et kritisk skridt i udviklingen af ​​nye nanoskalateknologier, der integrerer lys med elektronik.

"Det var allerede kendt, at disse ultratynde 2-D-halvledere har disse unikke egenskaber, som du ikke kan finde i andre 2-D- eller 3-D-arrangementer, " sagde Xu. "Men som vi viser her, når vi sætter disse to lag sammen – det ene oven på det andet – bliver grænsefladen mellem disse ark stedet for endnu flere nye fysiske egenskaber, som du ikke kan se i hvert lag for sig eller i 3D-versionen."

Xu og hans team ønskede at skabe og udforske egenskaberne af en 2-D halvleder heterostruktur bestående af to forskellige lag materiale, en naturlig udvidelse af deres tidligere undersøgelser af atomisk tynde kryds, samt lasere i nanoskala baseret på atomisk tynde lag af halvledere. Ved at studere, hvordan laserlys interagerer med denne heterostruktur, de indsamlede information om de fysiske egenskaber ved den atomare skarpe grænseflade.

"Mange grupper har studeret de optiske egenskaber af enkelte 2-D ark, " sagde Seyler. "Det, vi gør her, er omhyggeligt at stable et materiale oven på et andet, og derefter studere de nye egenskaber, der opstår ved grænsefladen."

Holdet opnåede to typer halvledende krystaller, wolframdiselenid (WSe2) og molybdændiselenid (MoSe2), fra samarbejdspartnere ved Oak Ridge National Laboratory. De brugte faciliteter udviklet internt til præcist at arrangere to lag, en afledt af hver krystal, en proces, der tog nogle år at udvikle sig fuldt ud.

"Men nu hvor vi ved, hvordan man gør det ordentligt, vi kan lave nye om en eller to uger, " sagde Xu.

At få disse enheder til at udsende lys var en unik udfordring, på grund af elektronernes egenskaber i hvert lag.

"Når du har disse to ark materiale, et væsentligt spørgsmål er, hvordan man placerer de to lag sammen, " sagde Seyler. Elektronerne i hvert lag har unikke spin- og dalegenskaber, og "hvordan du placerer dem - deres vridningsvinkel - påvirker, hvordan de interagerer med lys."

Ved at justere krystalgitrene, forfatterne kunne excitere heterostrukturen med en laser og skabe optisk aktive excitoner mellem de to lag.

"Disse excitoner ved grænsefladen kan lagre dalinformation i størrelsesordener længere end et af lagene alene, " sagde Rivera. "Denne lange levetid giver mulighed for fascinerende effekter, som kan føre til yderligere optiske og elektroniske applikationer med dalfunktionalitet."

Nu hvor de effektivt kan lave en halvleder-heterostruktur af 2-D-materialer, Xu og hans team vil gerne udforske en række fascinerende fysiske egenskaber, herunder hvordan exciton-adfærd varierer, når de ændrer vinkler mellem lagene, kvanteegenskaberne excision mellem lag og elektrisk drevet lysudsendelse.

"Der er en hel industri, der ønsker at bruge disse 2-D halvledere til at lave nye elektroniske og fotoniske enheder, " sagde Xu. "Så vi forsøger at studere de grundlæggende egenskaber af disse nye heterostrukturer for ting som effektiv laserteknologi, lysdioder og lysindsamlingsudstyr. Disse vil forhåbentlig være nyttige til ren energi og informationsteknologiapplikationer. Det er ret spændende, men der er meget arbejde at gøre."