Forskere observerer en unik mellemlagstilstand i en dobbeltlags heterostruktur

Forskere ved U.S. Naval Research Laboratory (NRL) har fremstillet en dobbeltlagsstruktur bestående af to forskellige monolagsmaterialer, og observerede en unik elektronisk tilstand dannet af interaktionen mellem disse to lag.

Overgangsmetal dichalcogenider (TMD'er), såsom de uorganiske forbindelser molybdændiselenid (MoSe ₂ ) og wolframdiselenid (WSe ₂ ), er en klasse af lagdelte 2-dimensionelle (2-D) materialer beslægtet med grafen. Nye heterostrukturer kan fremstilles ved at stable enkelte monolag af disse materialer, og egenskaberne kan skræddersyes af valget og rækkefølgen af ​​disse monolag.

"Baseret på de eksperimentelle resultater, vi udviklede en ny model for samspillet mellem disse materialer, som har vidtrækkende implikationer for, hvordan de opfører sig, og hvordan de kan bruges, " sagde Dr. Aubrey Hanbicki, forskningsfysikere og hovedforfatter af undersøgelsen. "Vi viser, hvordan interaktionen mellem lagene kan ændre deres adfærd for at skabe et nyt sammensat system."

Denne nye klasse af materialer sammensat af atomisk tynde plader har potentialet til at påvirke en bred vifte af teknologier, der er vigtige for flåden og forsvarsministeriet (DoD), udtaler Dr. Berend T. Jonker, hovedefterforsker af indsatsen. Disse spænder fra kemiske sensorer til at detektere kemiske krigsførende midler, sprængstoffer og giftige industrikemikalier, til nye optoelektroniske anordninger til brug i enkeltfotonemittere, nano-lasere, solcelleanlæg, og fotodetektorer.

"I enkelte lag, mange TMD'er er optisk aktive halvledere med nogle nye og eksotiske egenskaber, Hanbicki forklarede. "Når den belyses med lys over en bestemt bølgelængde, afhængig af materialets båndgab, elektroner exciteres fra valensbåndet ind i ledningsbåndet og efterlader et positivt ladet "hul" bagved. Den negativt ladede elektron og dens hul tiltrækkes derefter af hinanden og kan danne et elektron-hul-par kaldet en exciton. Efter meget kort tid, de rekombinerer og udsender lys ved en bølgelængde, der er karakteristisk for materialet."

Typisk, levetiden for sådanne excitoner er meget kort. Imidlertid, både levetiden og emissionsbølgelængden kan skræddersyes ved omhyggeligt at vælge to forskellige TMD-monolag til at danne et dobbeltlag. Med det rigtige materialevalg, elektronen og hullet kan ligge i forskellige lag. Disse rumligt adskilte partikler kan danne en såkaldt interlayer exciton (ILE), som tager meget længere tid at rekombinere.

Interaktionen og den efterfølgende rekombination er meget afhængig af den fysiske adskillelse af elektronen og hullet, og der skal tages betydelig omhu for at konstruere grænsefladekontakten mellem TMD-lagene.

Forskningen på NRL brugte adskillige avancerede fremstillingsprocesser til at stable og justere enkeltlags MoSe ₂ flager på enkeltlags WSe ₂ . MoSe ₂ -WSe ₂ stakken blev yderligere indkapslet af ultraglatte hexagonale bornitrid (hBN) lag og derefter "renset" ved hjælp af en ny udfladningsteknik for nylig udviklet af NRL-forskere.

Som resultat, det ultrarene hBN/MoSe ₂ -WSe ₂ /hBN stack udviser denne unikke interlayer exciton selv ved stuetemperatur. Ved lave temperaturer, ILE-emissionsfunktionen opdeles i to toppe, hvilket giver den første klare opløsning af denne opdeling, og muliggør indsigt i oprindelsen af ​​selve ILE. I særdeleshed, fordi ILE-toppene har næsten samme intensitet, men modsat polarisering, teoretiske beregninger kan identificere oprindelsen af ​​ILE.

"Dette arbejde repræsenterer et betydeligt fremskridt i vores generelle forståelse af interaktionen mellem TMD'er i heterostrukturer og vil informere design og implementering af fremtidige TMD heterostrukturenheder, " sagde Hanbicki.

Disse forskningsresultater er rapporteret i tidsskriftet ACS Nano