Valleytronics-forskere fremstiller nyt 2D-materiale, der nyder excitoner med lang levetid

Det nye felt inden for valleytronics, som udnytter momentumpræferencen for exciterede elektroner eller excitoner i en række optoelektroniske enheder, er tæt knyttet til fremstillingen af ​​nye 2D-materialer, der kun er atomer tykke. I denne måned har en gruppe valleytronics-forskere fra Central South University i Changsha, Kina, udviklet et sådant 2D-materiale, der markant forbedrer nytten af ​​disse spændende partikler.

Detaljerne om dens fremstilling og en belysning af dens egenskaber er beskrevet i tidsskriftet Nano Research .

Inden for materialevidenskab refererer udtrykket 2D-materialer til faste stoffer, der kun er et lag atomer tykt. Disse er af interesse, ikke kun fordi de er meget små, men fordi nye fysiske egenskaber opstår, når et materiale fortyndes til kun dette ene atomlag. Det måske mest berømte 2D-materiale er grafen, et enkelt lag af kulstofatomer, som har nogle forbløffende egenskaber, der er meget forskellige fra andre former, som kulstof antager, når det kommer i bulk (eller mere formelt "bulkkrystal"), inklusive at være omkring 200 gange stærkere end stål.

Men der er hundredvis af andre typer 2D-materialer, som igen tilbyder meget forskellige egenskaber til deres bulkkrystalform. Et sådant 2D-materiale, transition-metal dichalcogenide eller TMD, er af særlig interesse i optoelektronikkens verden, videnskaben og teknologien af ​​lysemitterende og lysdetekterende enheder. Til grund for alle optoelektroniske enheder er den fotovoltaiske effekt, eller genereringen af ​​elektrisk strøm i et materiale, når det rammes af en lysstråle - såsom i en fotovoltaisk celle i et solpanel, og dens omvendte form, produktionen af ​​lys fra elektriske signaler.

Sådan teknologi afhænger af materialer, der er halvledere. For at bruge eksemplet med PV-cellen igen, når lys rammer en halvleder, er denne energi tilstrækkelig til at excitere elektroner til at springe et "båndgab" op fra et atoms valensniveau til dets ledningsniveau - hvor disse exciterede elektroner eller mere simpelthen excitoner, kan nu flyde frit i en elektrisk strøm. Faktisk er lyset blevet omdannet gennem denne specielle båndgab-egenskab for halvledere til elektrisk energi. Den samme båndgab-egenskab er det, der gør det muligt for transistorer – lavet af halvledermateriale såsom silicium – at fungere som tænd/sluk-kontakter, der bruges til at gemme data i form af enere og nuller eller "bits" i computere.

2D-materialet grafen, et semi-metal, har ingen båndgab. Det er en leder, ikke en halvleder. Enkeltlag ("monolag") af TMD - lavet af et overgangsmetalatom såsom molybdæn eller wolfram bundet til et atom fra den samme søjle i det periodiske system som oxygen (chalcogenerne), såsom svovl, selen eller tellur - gør dog har et båndgab. Dette gør TMD'er meget interessante til fremstilling af transistorer og andre optoelektroniske enheder.

Ligesom monolaget af et materiale har forskellige egenskaber fra det samme materiale i bulkkrystalform, kan 2D-materialer, der er to eller tre lag (dobbeltlag eller trelag) tykke, have forskellige egenskaber igen til det samme materiale i monolagsform. Og et flerlags 2D-materiale sammensat af lag af to eller flere forskellige materialer kaldes en heterostruktur, som vil nyde endnu flere forskelle i dets egenskaber.

Strengt taget refererer udtrykket exciton til både elektronen og det tomme rum eller "hul", den efterlader, men som den forbliver tiltrukket og dermed bundet til:et elektron-hul-par. Fordi elektronen har en negativ ladning, kan elektronhullet siges at have en positiv ladning. Sammenlagt er elektron-hul-parret, eller exciton, en elektrisk neutral "kvasipartikel."

Excitoner i 2D-materialer favoriserer også en af ​​to momentumtilstande, afhængigt af polariseringen af ​​lys, der har exciteret dem. Disse foretrukne momenta er ofte kendt som "dale", da det kræver en masse energi at flytte en exciton op fra den ene favoriserede momentumtilstand ned i den anden.

Denne on/off, binære natur af sådanne excitondale tilbyder potentielt en ny måde at gemme lidt på og udføre logiske operationer. Det nye felt inden for "valleytronics", som undersøger dette fænomen, er eksploderet i de seneste år på grund af rækken af ​​potentielle anvendelser, herunder utrolig hurtige logiske operationer og måske en dag små rumtemperatur kvanteberegninger.

Typisk eksisterer excitoner i et lag af 2D-materiale - en intralag exciton. Men der findes også en eksotisk mellemlagstype af exciton, en der eksisterer mellem to monolag, med elektronen og hullet placeret i forskellige lag. Disse mellemlags-excitoner har i sig selv forskellige nye og fristende egenskaber, herunder betydeligt længere levetider end deres intralag-modstykker, hvilket udvider applikationer i exciton-enheder med lang levetid.

Dobbeltlag af TMD'er er i de senere år blevet særligt attraktive for optoelektronikforskere, fordi de er særligt gode til at hoste disse interlayer excitoner.

Men forskerne fra Central South University mente, at de kunne gå et lag bedre.

"De fleste TMD exciton undersøgelser er besat af heterostrukturer sammensat af to forskellige monolag TMD'er," sagde Yanping Liu, en fysiker og ingeniør med speciale i valleytronics og tilsvarende forfatter til papiret. "Men vores interesse var i at designe en trelags heterostruktur med type II båndjustering."

Sammenlignet med tolags TMD-heterostrukturer med type-II-båndjustering, tilbyder trelags type-II-båndjustering i princippet en række effektivitetsforbedringer, og interlayer-excitonerne skulle have en endnu længere levetid, hvilket øger anvendelsespotentialet for TMD'er i enheder som fotodetektorer , lysemitterende dioder, lasere og solcelleanlæg. Men indtil nu var interlayer excitonerne kun blevet observeret i tolags TMD-heterostrukturer.

Holdet var i stand til at fremstille en trelags TMD-heterostruktur (sammensat af molybdæn og svovl, molybdæn og selen og wolfram og selen), som de derefter observerede ved hjælp af fotoluminescensspektroskopi. De bekræftede tilstedeværelsen af ​​interlayer excitoner og beskrev forskellige egenskaber og krav til fænomenet.

Efter at have fremstillet den nye TMD-heterostruktur, bekræftet eksistensen af ​​de langlivede interlayer-excitoner og omfattende katalogiseret egenskaber og krav, skal teamet nu undersøge mere præcist rækken af ​​potentielle anvendelser for deres TMD i optoelektroniske enheder. + Udforsk yderligere

Atomisk tynde halvledere til nanofotonik